发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷试验

为了获得大面积比喷管在发动机起动/关机过程中的侧向载荷，搭建了喷管侧向载荷冷流试验系统，通过测量应变管感知的喷管侧向载荷和通过加速度传感器感知的喷管振动载荷，分析发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷的变化规律。试验表明:试验喷管在发动机起动/关机过程中均存在3个峰值侧向载荷，起动过程中分别对应着初始正激波向稳定自由激波分离的转变过程、自由激波分离向受限激波分离的转变过程以及分离激波结构处于“末端振动状态”，关机过程则恰好相反，而且关机过程相对起动过程的峰值侧向载荷发生压比存在一定的迟滞效应；喷管壁面的周向应变对侧向载荷非常敏感，而壁面轴向应变却基本不受喷管侧向载荷的影响；喷管侧向载荷是激励喷管振动的主导因素，并在试验喷管发生“末端振动效应”时，振动加速度峰值达到最大为80g。      

火箭发动机喷管非定常侧向力和流固耦合研究进展

为了提高现代火箭的运载性能,发动机趋于采用大面积比喷管。然而,大面积比喷管由于低空高背压会产生过膨胀现象,导致喷管内部流动分离的非定常和非对称特性,并且发生显著的侧向载荷问题,巨大的侧向载荷又引起喷管的流固耦合现象。总结了喷管流动分离的研究现状,阐述了不同时期喷管侧向载荷的研究目标及成果,并分析了引起喷管侧向载荷的因素。在侧向载荷分析基础上,进一步分析了喷管流固耦合问题的研究进展及方法,最后指出了所存在的科学问题,剖析了喷管侧向载荷设计的关键力学问题,并对今后喷管侧向力问题的研究方向提出了设想。     

抛物线喷管型面参数对流动分离影响的数值模拟

为了研究抛物线喷管型面的3个参数——初始膨胀圆弧半径、入口角和出口角的变化对喷管流动分离过程的影响规律，模拟了不同参数组合下的抛物线喷管流场参数，获得了喷管流动位置、分离模态随集气室压强增加的变化过程.结果表明:这3个参数能够影响发动机起动过程中喷管流场的发展过程.在一定范围内分离模态转换喷管压比（NPR）与初始膨胀圆弧半径呈正相关；通过合理设定入口角和出口角，可以推迟和缩短受限激波分离过程，为解决彭冠侧向载荷问题提供了可能的方向.      

双钟型喷管高度补偿特性的数值分析

针对双钟型喷管流场中存在的激波、激波与附面层相互作用、大尺度分离流动等复杂的物理现象，应用RNGκ-ε湍流模型封闭二维粘性可压缩N-S方程组，采用二阶迎风格式及隐式Gauss-Seidel迭代方法进行耦合求解，对双钟型喷管流场进行数值模拟研究。结果表明，双钟型喷管在低空出现壁面可控流动分离，避免了过膨胀现象，性能优于大面积比钟型喷管；在高空下为完全附着流动，性能优于小面积比钟型喷管，实现了高度补偿特性。     

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。     

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。     

扩张段注气对扩张型双喉道喷管起动的影响研究

扩张型双喉道喷管存在起动问题,使喷管推力性能显著下降。为此,提出了扩张段注气解决喷管起动问题的方案,并利用数值模拟方法,针对二元扩张型双喉道喷管,研究了扩张段注气压比、注气位置等对喷管流动和性能的影响。研究结果表明：扩张段注气可以产生斜激波系和大的分离区,改变了扩张型双喉道喷管主气流通道的形状,减小了激波损失,解决了喷...     

喷管分离流动与侧向载荷定常数值模拟

利用商业CFD软件,进行了三维、有粘、定常计算,模拟了某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动.计算了多个不同入口总压下的工况.其结果预示了该喷管的分离流动在不同入口总压下的激波模态变化,并获得了非对称分离及其造成的侧向载荷的分布情况.计算为进一步相关研究打下了基础.      

地外天体起飞时进入喷管内部激波对喷管的力、热效应

为研究激波进入喷管内部对发动机喷管产生的力、热效应,对喷管与起飞平台基面之间的羽流场进行了大量的仿真计算,着重分析了不同导流型面、不同起飞偏角情况下,进入喷管内部激波对喷管产生的力、热综合效应,激波在喷管内部的分布形态,并给出了激波移出喷管的条件.结果表明:当激波进入喷管内部但不产生激波贴壁现象时,激波不会对喷管内壁产生附加的力、热冲击;当激波进入喷管内部且产生激波贴壁现象时,在激波贴壁区产生一定的附加力矩和附加热流.该结论对探测器结构布局的设计具有重要的指导作用.      

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

一种低空满流的大面积比液体火箭发动机喷管

针对传统大面积比液体火箭发动机喷管在低空过膨胀状态下易产生流动分离的问题,采用特征线法,基于最大推力喷管,对其扩张段后半部分型面进行了控制压力设计,以保证新生成的大面积比喷管（低空满流喷管）壁面压力不小于分离临界压力。而后通过仿真手段对设计方法进行了校验,并对低空满流喷管的性能进行了评估。结果表明：基于最大推力喷管型面的控制压力设计方法能够实现预定的设计目标,生成的型面不仅保证了喷管在海平面条件下处于满流状态,还使得喷管对燃烧室压力脉动具备了一定的抵抗能力。当燃烧室压力为8.5MPa、燃气比热比为1.144时,相较于将要产生分离的面积比为40的最大推力喷管,低空满流喷管能够将面积比增加至60,从而提高真空比冲约5.24s。而相比于面积比为60的最大推力喷管,等面积比的低空满流喷管真空比冲损失约为1.57s。     

应用于翼型绕流的线性/非线性湍流模式的研究

本文选取了四个线性湍流模式、四个非线性涡粘性湍流模式和一个显式代数应力模式对绕翼型的不可压缩分离流动进行了数值模拟.因计算鲁棒性的需要,其中部分模式在壁面附近耦合了一方程模式.通过与实验结果的比较,对翼型在大攻角情况下流动产生分离的气动特性进行了评估.计算结果表明,非线性模式能够较好地反映湍流的各向异性和曲率影响.     

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。     

非对称喷管流动分离的预测

非对称喷管是超燃冲压发动机和涡轮基组合循环(TBCC)发动机中特有的关键部件,在跨大马赫数范围工作时,往往在非设计点下会出现严重的流动分离。针对非对称喷管在过膨胀状态下的流动分离现象,通过试验验证二维数值计算(计算采用计算流体力学(CFD)方法)的正确性,利用数值计算样本点拟合得到了非对称喷管在过膨胀状态下的分离准则表达式,并进一步通过不同构型的非对称喷管分离的试验数据来验证该准则的准确性和普适性。研究结果表明,通过特定非对称喷管计算分离数据获得的分离准则与试验结果吻合得较好,在所进行的试验模型和条件下,两者之间的均方根误差为3.68%,更好地说明了该分离准则对非对称喷管内的分离预测具有较好的准确性,同时也跨出了其普适性证明的第1步。     

二元矢量喷管流场的N－S方程计算

对二元矢量喷管在不同工况下的流场进行了数值模拟。求解的控制方程为三维非定常Ｎ－Ｓ方程。空间方向用有限体积离散，时间方向用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法推进。粘性项的计算上采用了一种有限体积框架下新的离散化方法。湍流模型采用了广泛使用的Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数模型。计算表明，本文方法能准确地计算二元矢量喷管、非矢量喷管在设计与大设计落压比下的流场。     

高度补偿喷管的氢氧热试研究

采用气氧作氧化剂、气氢作燃料, 对具有高度补偿特性的塞式喷管和双钟型喷管进行了点火热试.介绍了气氢/气氧试验系统, 以及试验喷管的结构形式、设计参数和装配照片, 喷管试验件采用耐烧蚀的钨渗铜材料加工, 成功进行了多次短时间点火热试.给出了试验测量参数曲线、点火热试照片和数据结果, 获得了不同高度下塞式喷管和双钟型喷管的热试性能数据, 和当量钟型喷管相比两者都具有较好的高度补偿特性.以推力系数效率为例, 塞式喷管在低空压强比下达到92%-95%, 双钟型喷管低空下为96%-98%, 高空下则都在95%左右.      

基于燃气发生器法的小型中涵道比发动机性能计算分析

为了研究小型中涵道比分排涡扇发动机装机性能,建立了基于燃气发生器法的性能计算模型。由CFD数值模拟计算喷管特性,由发动机地面台架试验及针对小型中涵道比的特点发展的修正方法获取内外涵喷管进口总压和总温的修正系数曲线,经高空模拟台试验验证,发动机最大状态下的推力计算误差≤0.5%。再基于飞行试验测试数据,计算得到发动机在装机条件下的空气流量与飞行推力,与发动机设计厂家的模型计算结果相比,发动机各状态下推力最大误差≤1.3%,流量最大误差≤2.5%。结果表明：发展的性能模型修正方法适用于小型中等涵道比涡扇发动机的装机性能确定;同时修正中等涵道比分排发动机的内外涵喷管进口压力可提高模型推力计算精度;同时修正小流量分排发动机内外涵喷管进口温度可提高流量计算精度。     

球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征的实验研究

为了获得球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征，在小型热射流实验台架上运用红外热像显示和流场测量，在总温673～823K、喷管落压比(NPR)1．46～2．25状态下，对不同喉道宽高比、俯仰角和偏航角的热射流特征进行了实验研究。在本研究范围内，NPR对矢量喷管上壁面附面层流动影响不大；在扩张上壁附面层分离的情况下．壁面附近的流线被上抬，形成“马鞍”形异型总压分布；喷121出121下游的激波呈现一连串的“葫芦”状，随喷管矢量角的增大，流场的不对称性越明显；在收扩喷管喉道宽高比（ARi）为2时，热射流被分成两股。