超声速喷管中激波分离诱发流场对称破缺的机理及其控制

为减缓或消除侧向力,开展了流动分离诱导流场对称破缺的机理研究。采用有限体积二阶迎风插值格式及k -ε湍流模型,数值模拟了某型超声速喷管的地面试车过程。详细分析了喷管内部的流场结构,着重讨论了喷管壁面附近出现的激波分离模式由自由激波分离到受限激波分离的转换过程。为了降低低空高背压条件下过膨胀喷管的侧向力,着重研究了喷管不同长径比、扩张比条件下的流场特性和流动分离模式。结果表明:在激波模式转换过程中能够诱发出极大的侧向力,改变喷管构型可以改善流场结构。适当缩短长径比和扩张比可以有效降低侧向力。长径比为105时将产生4 000 N以上的侧向力,而当长径比为095和115时,侧向力不超过20 N;当扩张比为539时,侧向力峰值达到4 000 N以上,而缩小扩张比到45时,侧向力明显下降。     

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。     

液体火箭发动机喷管流动特性及高度补偿研究进展

喷管作为液体火箭发动机产生推力的重要组件之一,其内部存在的复杂流动现象对发动机性能具有重要影响,本文综述了该领域的相关研究进展。传统喷管在过膨胀状态下会产生自由激波和受限激波两种分离模式,其非定常、非对称性给发动机带来严重的侧向载荷,也造成流动预测较为困难。采用凹坑或涡轮废气主动射流等方式能够避免受限激波分离的出现,抑制侧向载荷,但却无法对喷管损失的性能进行有效补偿。通过对传统喷管的创新设计,高度补偿喷管不仅能够有效控制管内流动,还能在不同程度上提升发动机性能。然而,高度补偿喷管形式众多、各有所长,工程应用应谨慎决策。此外,各种形式的高度补偿喷管内仍旧存在激波/边界层干扰、分离、回流等不利的流动现象,亟待对其开展深入研究。     

轴对称矢量喷管壁面静压分布的试验研究

在模拟实际发动机喷管落压比的情况下, 利用轴对称矢量喷管的缩比模型, 对其壁面静压分布进行了试验研究。研究结果表明, 当矢量偏转后, 轴对称矢量喷管的收敛段与扩张段内流场均呈现出复杂的三维流动的特征; 当喷管落压比小于完全膨胀落压比时, 喷管内部存在周向不对称的斜激波和分离区, 且激波位置随几何矢量角的增大而前移。本文的研究结果可用于检验喷管三维流场的计算精度。      

单边膨胀喷管试验和数值模拟

在落压比为4～60范围内,对两种不同膨胀型面的高速二元单边膨胀喷管模型试验件(SERN 1和SERN 2)进行了试验研究,获得了壁面静压分布和纹影照片.用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息.试验和数值模拟结果表明:下腹板出口气流处于深度过膨胀状态时,喷管内部激波/边界层相互干扰并存在4～5道斜激波,而且SE...     

过膨胀单边膨胀喷管试验和数值模拟

在低落压比4~10下,对高速二维单边膨胀喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验研究,模拟气体为高压空气;用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息。试验和数值模拟结果表明,处于深度过膨胀状态下的单边膨胀喷管内部出现了自由激波、分离激波、两种激波相交及相互影响、自由激波分离和激波诱导分离等复杂现象;上膨胀面大面积的气流分离而形成的低压区使喷管轴向推力系数Cfa仅为0.78~0.87;此外,推力矢量角pδ为18°~25°,这对飞行器的配平和控制面操作带来一定的困难。     

减弱喷管侧向力的变形喷管技术研究

为了改善大面积比过膨胀喷管的侧向力问题,提高火箭发动机喷管的整体性能,提出一种变形喷管抑制侧向力的技术方案。以VOLVO-S1喷管扩张段壁面为基本研究模型,通过在Y轴方向施加一对对称作动力后,使得喷管扩张段壁面沿X轴方向的各截面由圆形变为椭圆形,以此来改变喷管的面积比和流道特性,从而实现减小侧向力的目标。运用求解雷诺平均N-S方程的数值方法,对上述变形喷管的流场变化开展了相应研究,结果表明:在施加一定大小作动力后,喷管出口面积减小约0.98%,变形后的喷管相比于原喷管在推力损失较小的情况下可以将Y方向侧向力的峰值降为原来的60%,同时可以使得Z方向的侧向力峰值降为原来的一半。此外,变形喷管在落压比为15.2~15.3期间发生自由激波分离向受限激波分离的转换,相比于VOLVO-S1喷管的激波模式转换会有所延迟。最后分析了变形喷管的方案导致侧向力降低的原因。     

拉瓦尔喷管外发生激波反射工况详细分析

平面拉瓦尔喷管的环境压力与入口总压的比值从设计工况到第三极限工况(管口处为正激波)逐渐增大时,喷管外的激波现象不同.根据已知的激波反射理论,将设计工况到第三极限工况间的工作状况进一步细分为强斜激波工况、马赫反射工况、双解区和正规反射工况、并将由气流偏转角所表示的发生正规反射和马赫反射的条件用环境压力与总压的比值来表示,找出了强、弱斜激波的环境压力与总压比值的临界值,得到这些临界值随着喷管面积比的变化趋势.最后针对面积比为5的平面拉瓦尔喷管,由理论分析得到其管外发生正规反射、马赫反射、强斜激波反射时对应的压比分别为:0.0841,0.0959和0.2005,并用数值模拟来验证理论分析的正确性.      

斜切喷管固体火箭发动机喷管流场与推力特性研究

为了研究斜切喷管固体火箭发动机的喷管流场与推力特性,采用二阶精度的AUSM格式求解守恒型N-S方程组并与Realizable k-e湍流模型相结合,对不同角度斜切喷管的流场特性与推力特性进行数值模拟研究。同时,设计斜切喷管发动机推力测试试验台,通过此测试平台获取发动机工作过程的推力曲线,并与数值仿真结果进行对比,验证所建立的数值仿真计算方法的可行性和有效性。结果表明：通过数值仿真方法获得的斜切喷管发动机推力与试验结果之间的误差较小;由仿真与试验结果可知,45度斜切喷管推力作用线与喷管轴线之间存在夹角,表明斜切喷管发动机存在推力偏转现象。此外,该结构喷管流场存在两个激波交汇高压强区域,同时第二道激波结构强度高于第一道。当喷管斜切角度达到40度,随着喷管斜切角度的增加,斜切喷管的质量流量、总推力与推力偏转角不断减小,但减小趋势不断变缓。     

斜切反喷管性能计算

本文提出了斜切反喷管流场计算方法,内部点用MacCormack二步显格式数值解控制方程,入口边界和固壁边界的参数用物理边界条件和可应用的沿双特征线的相容性方程计算.固壁边界计算中采用了激波装配技术和开关格式,有效地捕获了流场内的激波系列,计算中得到的激波情况和物理分析一致.本文在流场计算的基础上,进行了反喷管的性能计算.本文提出的方法可应用于反喷管的性能预估.     

磁控等离子体对尾喷管壁传热特性的影响

根据磁场作用下等离子体的湍流和传热能力将受到抑制的现象, 提出利用磁场控制低温等离子体隔离高温燃气与喷管壁的方法, 以减少高温燃气对壁面的传热, 从而达到降低壁面温度的目的.分别建立诱导磁场方程求解洛伦兹力和磁场作用下的k-ε湍流模型求解湍流粘度, 数值模拟了不同强度磁场作用下的磁控等离子体流动和传热特性.结果表明, 磁场能够有效地抑制湍流强度, 降低传热能力, 从而有效地降低壁面温度;并且磁场越强, 效果越明显.      

变比热容对射流推力矢量喷管内流场影响的数值模拟

利用时间推进的有限体积法求解二维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程,分别在变比热容和定比热容的情况下研究了射流推力矢量喷管的内流性能,并对两种情况下计算结果进行了比较.结果表明,与定比热容情况相比,工质为变比热容的燃气时,喷管内部由二次流产生的斜激波位置向喷管下游移动,回流区减小,喷管的推力矢量角和推力系数减小,温度越高,两种方法的计算结果相差越大.因此,在采用计算流体力学(computational fluidic dynamic,简称CFD)方法研究射流推力矢量喷管内流场性能时应该考虑变比热的影响.      

轴对称喷管与圆转方喷管冷却换热特性的比较

为了解和比较轴对称喷管与圆转方喷管不同的再生冷却换热特性,分别对轴对称喷管(推力室)与圆转方喷管(推力室)建立计算模型,通过数值模拟的方法重点研究和比较了轴对称喷管与圆转方喷管的流场、壁面热流密度和温度分布、冷却剂温升和冷却通道压降等换热特性.计算结果表明:圆转方喷管由于型面不连续,在转方位置后壁面出现了温度和热流密度的峰值,从而导致沿周向壁面温度和热流密度的分布也不均匀.      

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算

基于N-S方程求解了包括引射流、加力燃烧室在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的流场,建立了考虑导热、对流换热和辐射换热作用的轴对称收扩喷管各层壁温分布的计算模型,包括隔热屏、喷管简体、外调节片三层结构.对某航空发动机进行了多工况计算,燃气的物性随压力、温度和油气比的变化采用了一系列精度较高的计算公式和计算方法.计算结果表明:基于密度求解器求解包含引射流在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的跨声速流场是成功的.隔热屏和收扩喷管筒体沿流向温度逐渐升高,喷管筒体壁温在喉部达到最大,在扩张段逐渐降低;收扩喷管外调节片壁温与收扩喷管简体的壁温变化规律相同,但是壁温最大值则位于喉部前某一位置.计算结果与经过试验验证程序的结果符合良好.      

圆转方内喷管换热特性

为了解圆转方内喷管再生冷却的换热特性,采用数值模拟的方法,分别对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的控制方程,进行流动和传热的耦合计算,得到了内喷管和冷却液的流场和温度场。计算结果表明:转方之后的扩张段,如果型面不连续,间断点之后出现压缩波,波后壁面的温度和热流密度出现峰值,成为另一个危险截面;而且不连续壁面的温度高于光滑壁面的温度,使扩张段圆周方向壁面温度分布不均匀,造成热应力的不均匀;冷却肋和高导热系数的锆铜加强了冷却通道的换热,使冷却肋附近的气壁温度低于冷却通道底部气壁的温度。     

TBCC燃烧室/喷管一体化壁面温度计算

基于Navier Stokes(N-S)方程组对包括隔热屏、隔热屏内外流、大气外流在内的涡轮基组合动力(TBCC)发动机燃烧室/喷管进行了一体化的气/热耦合数值模拟,考虑了燃气组分输运、辐射换热等影响,研究了其在某典型飞行状态下TBCC冲压发动机燃烧室/喷管筒体及隔热屏内外壁壁面温度、辐射换热热流及对流换热热流分布.结果表明:燃烧室/喷管筒体与对称面上下交线的壁面温度在轴向距离为0.5~2.6m内变化较小,在轴向距离为2.6~3.1m内急剧增加,在轴向距离为3.1~3.5m内急剧下降.之后,上交线筒体壁面温度沿流向减小,下交线筒体壁面温度先升高后降低.筒体壁面温度最高点在喷管下调节板收缩段,为1577K.隔热屏内壁面辐射热流在370~500kW/m2变化,上下交线处的辐射热流较外壁面的辐射热流约高300kW/m2,辐射热流沿流向先减小后增加.隔热屏外壁面辐射热流在50~200kW/m2范围内分布.      

隔热屏位置对矢量喷管红外特征影响

建立了包括加力燃烧室隔热屏在内的轴对称矢量喷管内外流一体化流场计算模型,重点研究了某涡扇发动机隔热屏位置对矢量喷管扩张段壁温及通过矢量喷管喷口发射的红外辐射强度的影响.结果表明:基于密度求解器求解包含隔热屏在内的矢量喷管内外流一体化的跨声速流场、温度场和质量分数场是成功的;随着隔热屏覆盖喷管收敛段的长度增加,喷管扩张段壁温呈现出先下降而后上升的规律,存在一个最佳的隔热屏位置.最后利用作者提出的离散净辐射法,编制程序计算得到了隔热屏位置对通过喷管喷口发射的红外辐射强度的影响规律.      

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

过膨胀状态下轴对称收-扩喷管内外流场计算及分析

轴对称收-扩喷管在过膨胀状态下工作时, 喷管内部将产生强烈的激波以及附面层分离, 流态非常复杂.计算实践表明, 应用广泛采用的重整化群(RNG)k-ε湍流模型, 并结合标准壁面函数对其进行数值模拟时, 误差较大.针对标准壁面函数的不足, 采用增强型壁面函数处理固体壁面附近的流动, 对轴对称收-扩喷管的内外流场进行了数值模拟, 并与试验数据进行了分析比较.结果表明:增强型壁面函数更加适合处理此类存在强逆压梯度导致附面层分离的问题.