多单元圆转方塞式喷管的性能计算和分析

采用NND差分格式求解三维平均雷诺N-S方程的数值方法, 对多单元圆转方塞式喷管的性能进行了计算.首先比较了钟型喷管、二维喷管、圆转方喷管、方形喉部方形出口喷管的流动特点和性能, 然后研究了转方位置、转方后型面和出口圆角对圆转方内喷管性能的影响以及圆转方结构型式、内喷管倾角、塞锥型面变化对塞式喷管性能的影响, 并且给出了具有较高性能的多单元圆转方塞式喷管设计方案.研究结论对于多单元圆转方塞式喷管的优化设计有一定的参考作用.      

主要结构参数对直排塞式喷管性能的影响

数值模拟了内喷管面积比、内喷管型式和塞锥截短对塞式喷管性能的影响,比较了不同结构参数选择下对应的塞锥尺寸。内喷管在地面处于欠膨胀和完全膨胀时塞式喷管的性能高于内喷管在地面处于过膨胀时的性能;内喷管为矩型喉部矩型出口二维喷管的塞式喷管效率最高,内喷管为圆喉方型出口和圆喉矩型出口的塞式喷管性能接近,但都比具有二维内喷管的塞式喷管效率稍低;塞锥截得越短,塞式喷管的效率越低,不同塞锥截短率塞式喷管的性能差别随着压比的增加而减小;随着塞锥长度的增加,塞锥长度对塞式喷管性能的影响逐渐降低。     

塞锥侧板对直排塞式喷管性能的影响

为了解塞锥侧板对直排塞式喷管性能的影响,提出了对应着同一个塞锥的不同形状和高度的侧板。采用数值模拟的方法,得到了带有不同侧板的直排塞式喷管在不同工况下的流场和性能。比较了不同侧板形状和高度对直排塞式喷管性能的影响。结果表明:带有曲边侧板的塞式喷管的性能略高于带有直边侧板的塞式喷管,但不超过1%;没有侧板时塞式喷管性能要下降4%～6%;塞锥侧板的高度应不小于内喷管出口的高度,低于内喷管出口高度的侧板会降低塞式喷管性能;当侧板高于内喷管出口时,直排塞式喷管性能不随侧板高度的增加而增大。最后定性分析了带有不同侧板塞锥的流场结构,找出了产生这种结果的原因。     

气动塞式喷管底部二次流特性的数值模拟

发展了一套可以对底部有二次流的气动塞式喷管的性能进行预示的数值方法，采用二阶精度的NND格式求解二维层流N-S方程，对底部二次流的入口边界条件进行了特殊处理。以一种实验用的直排式气动塞式喷管为对象，针对两种不同的背压条件，对二次流流量分别为主流的0%，1%，3%和5%的几种工况研究了塞式喷管底部二次流流量变化对喷管性能影响。计算结果表明，底部二次流的加入使得气动塞式喷管性能有比较明显的提高。数值方法可以用于气动塞式喷管的设计和性能预报。     

六单元圆转方塞式喷管冷流试验与分析

对六单元圆转方塞式喷管的性能以及内喷管间隙与塞锥侧板的影响情况进行了冷流试验,利用纹影显示技术得到了地面、中空和高空三种工作高度下的流场结构。结合塞锥表面压强的计算结果和试验效率曲线,分析了内喷管单元间隙和塞锥侧板对性能的影响,单元之间有间隙和无塞锥侧板均会一定程度地降低喷管性能。结果表明,从地面到高空,六单元圆转方塞式喷管试验模型具有一定的高度补偿能力,其中无单元间隙有塞锥侧板的模型的推力系数效率在0.90~0.95之间变化。但设计高度下的效率低于理论预期值,其性能损失主要是圆转方内喷管型面、塞锥截短、多单元出口激波、底部不封闭等原因造成的。     

结构参数对圆转矩形喷管换热的影响

为了解结构参数对圆转矩形内喷管再生冷却换热的影响，设计了多个圆转矩形喷管，考虑了三种结构参数：转方位置、出口高宽比和出口圆角大小的影响。采用有限体积法求解三维可压缩的N-S方程对其内部流动和换热进行了数值模拟。湍流模型采用标准的k-ε双方程模型，壁面附近的流动和传热采用壁面函数法处理，速度与压力的耦合采用SIMPLE算法求解。结果表明：在型面一阶导数连续的情况下，转方位置对圆转矩形内喷管的换热影响不大；出口高宽比对圆转矩形内喷管的换热影响较大，出口高宽比不能太小，否则影响内喷管流场和换热；出口圆角大小影响内喷管周向上的温度分布，圆角太小造成周向温度分布不均匀。     

“瓦”状塞式喷管的数值模拟与实验

为了寻求高性能和更接近工程应用的发动机，提出了一种内喷管为轴对称喷管，塞锥为凹面的“瓦”状塞式喷管，分析了这种塞式喷管的优缺点，并针对一研究模型进行了数值模拟和实验比较，数值模拟采用NND格式求解曲线坐标下的三维平均雷诺的N－S方程，并用k-ε两方程湍流模型封闭方程组，实验研究采用酒精和氧气作为推进剂进行了热试车；研究模型的内喷管面积比为3．24，总膨胀比为22．15，设计压力比为220，结果显示“瓦”状塞锥改善了塞锥的流场，并且当压力比在16．8－220的范围内变化时，其相对理想喷管的喷管效率在0．90－0．96内变化，对发动机设计作进一步改进，其性能有望进一步提高。     

矩形内喷管塞式喷管的数值计算与实验研究

为了了解内喷管为二维矩型的塞式喷管性能,设计了一个二单元的实验塞式喷管,并对模型进行了数值模拟和实验研究。数值模拟采用无波动、无自由函数耗散(NND)差分格式求解三维NS方程,利用空气冷流实验方法评价了喷管性能。研究模型的内喷管喉部面积为4×60mm2,内喷管面积比为4,总面积比为24.05,设计压力比为500。计算得到了正确的流场结构和塞锥表面压强分布,结果与实验数据吻合很好,效率数值最大相差1%。模型的性能也比较理想:最大的推力系数效率为0.995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,推力系数效率在0.97～0.995之间变化。不同压强比下全锥塞式喷管的塞锥表面压强分布规律,可以作为研究截短型塞式喷管塞锥压强分布的基础。      

外流对塞式喷管性能的影响

为了了解外流对塞式喷管性能的影响。本文从N-S方程出发，采用NND格式对塞式喷管有外流的流场进行了数值模拟，重点研究了外流马赫数和外流迎角对塞式喷管的影响，研究表明，在一定飞行高度下，外流会使塞式喷管的性能降低，并且外流为亚声速时对塞式喷管的影响较小，在跨声速和超声速时影响较大；当外流有迎角时，会改变塞式喷管推力矢量，正迎角会使塞式喷管性能得到补偿，负迎角则会降低塞式喷管的性能，随着背压减小，外流对塞式喷管的影响也会减小。     

塞式喷管流场计算

采用NND差分格式，对塞式喷管轴对称流场进行了数值模拟。通过流场分析，可以对塞式喷管火箭发动机有清楚的认识。计算表明，NND格式有很好的分辨率；无粘和有粘的情况流场结构和性能相差悬珠；塞式喷管的自适应能力很好。     

塞锥型面简化与截短对塞式喷管性能的影响

用NND差分格式求解N－S方程，对截短直锥塞式喷管和用特征线法设计的截短型面锥塞式喷管的流场和性能进行了比较。成功地捕获了流场激波、膨胀波及反射压缩波，计算结果与实验数据吻合较好，对不同型面塞式喷管在不同高度下的推力性能和塞锥截短对发动机性能的影响。研究表明，相同长度的截短直锥发动机总推力比型面锥塞式喷管发动机低1％－1.5%；相对30％截短型面塞锥发动机，50％截短型面塞锥发动机的总推力可提高约2.5%。     

瓦状塞式喷管冷流实验研究

为了掌握瓦状塞式喷管更多的特征，采用空气作为介质，对一瓦状塞式喷管进行了底部限流板、底部二次流及内喷管倾角对性能影响的冷流实验。研究结果表明：在低中空，底部压强一般比环境压强要低；塞式喷管底部加入二次流可以增加底部压强，但底部二次流对性能的影响在1％－2％以内，少量的二次流对增加性能的效果较好，而加入更多的二次流则效果有限；增大内管倾角，可以增大底部压强即增加底部推力，但存在一个最佳倾角，使最大效率最大；本次冷流实验的瓦状塞式喷管最高效率为96％，其高度补偿效果较为明显。     

塞式喷管底部压强模型

为了工程计算的需要，首先分析了已有的底部压强计算模型，找出了影响底部压强的主要因素，即塞锥出口截面的压强、马赫数，塞锥出口倾角和底部二次流流率；然后根据数值计算得到的底部压强和冷流实验测出的底部压强，分别拟合底部压强与塞锥出口压强和马赫数的关系式，底部压强与塞锥倾角的关系式，底部压强与底部二次流流率的关系式，最后把这些关系式几何平均得到了所有这些因素与底部压强的关系式。与实验数据比较，该拟合公式不但很好地反映了底部压强的变化规律，而且能够满足工程估算的需要。     

塞式喷管型面优化

为了使塞式喷管发动机的总冲最大,利用数值计算方法对塞式喷管型面进行了全习过程的优化。详细介绍了优化模型的建立过程及优化的假设与步骤,最后给出了典型优化的结果,其结果对塞式喷管的型面设计有很大的参考价值。     

气氢/气氧塞式喷管模型发动机实验

以气氢/气氧为推进剂,对圆转方内喷管单元直排塞式喷管进行了热试实验研究。介绍了实验系统及实验发动机主要零部件的结构和设计参数,给出了实验参数测量结果、实验照片和数据分析。无再生冷却塞式喷管发动机采用耐烧蚀材料钨渗铜加工内喷管和燃烧室内衬,碳钢材料加工塞锥,成功进行了多次短时间热试实验。在三个压比下获得了塞式喷管性能数据,实验表明,塞式喷管具有良好的高度补偿能力和较高的效率。在CNPR=110附近,效率达到93%~95%;在CNPR=450附近,效率达到96%~98%;在CNPR=1000附近,效率达到93%~96%。预计在设计点的效率不低于98%。     

插拔装置密封件的有限元分析

针对一种插拔装置不能灵活分离的问题,使用有限元法计算并比较“Y”形、“L”形、“T”形与“O”形密封圈插入和拔出时结构与密封圈接触部位接触力,通过气密考核试验及分离力试验对计算结果进行验证.结果表明,异形密封圈密封性能良好,且能显著降低结构拆卸时的摩擦力,有利于结构拆卸灵活、顺畅.     

火箭发动机塞式喷管流场的数值研究

用时间相关法和张涵信的无振荡、无自由参数ＮＮＤ显式格式,对火箭发动机塞式喷管二维轴对称定常流场进行了数值模拟。计算得到了有粘和无粘中两种情况下,喷管流场的马赫数压强、温度、流线以及速度矢量分布图,计算网络采用代数方法生成,并通过求解Ｌａｐａｃｅ方程对网格进行修正。计算结果表明：ＮＮＤ格式用于计算塞式喷管流场具有较高的效率和良好的分辨率;无粘和有粘情况得到的流场结构有较大的差别;基础喷管的出口马赫数     

线性塞式喷管型面快速设计方法

为了发展一套快速有效的塞式喷管型面设计方法,分析了塞式喷管的总膨胀面积比、内膨胀面积比和内喷管倾角与塞式喷管膨胀能力之间的联系,采用二阶和三阶多项式来分段描述塞式喷管的所有型面曲线,并给出了确定各段型面曲线的方法。研究了膨胀面积比对外形尺寸的影响,设计了两套不同类型的实验塞式喷管型面来进行冷流实验验证。结果表明:所设计的塞式喷管具有很好的高度补偿能力。