火箭发动机尾焰流场注水降温效果初探

为了对超声速高温燃气射流的注水降温机理进行探索,对该类流场进行了数值模拟和实验研究。气-液两相流场采用Mixture多相流模型进行计算,液态水的汽化过程通过耦合水的汽化方程来模拟。实验现象采用高速摄影和红外热像仪进行拍摄,并且在冲击平板上布置了热电偶温度测点。通过对仿真计算得到的温度云图与实验结果进行比较发现,无论是流场形态还是温度场分布,两者都十分吻合,证明了计算模型的适用性。结果表明:液态水和燃气的掺混汽化吸热效果显著,高温区域由于注水影响缩小到一个类锥形区域;迎气面温度大大降低,热冲击烧蚀效应得到有效缓解,尤其是中心部位降温效果最为明显,注水后温度仅为原温度值的60%左右。     

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。     

水下燃气-蒸汽弹射气-液两相流场数值研究

基于计算流体动力学方法和均质多相流理论,采用汽化模型模拟燃气与冷却水的汽化过程,使用动态网格分层技术模拟导弹的运动,对燃气-蒸汽弹射气-液两相流场进行三维非定常数值研究.通过与固体火箭发动机尾焰喷水效应实验对比,验证了数值方法的有效性.研究了弹射过程中流场结构、二次流现象和变深度弹射载荷和内弹道变化规律.结果表明:导弹弹射过程中汽化现象发生在弯管壁面处,汽化后的燃气-蒸汽高温区随着发射筒体积的增加发生偏移;燃气-蒸汽在发射筒和弯管截面上存在隔离区和二次流动现象,并且形成不同结构形式的漩涡;弯管受到的最大冲击力出现在0.16s附近和30°~ 60°弯曲角范围内;弹射深度每增加10m,观测点压力增加0.25MPa,弹动时间延迟0.01s.      

固体火箭喷管两相粘性跨音速流场计算

本文进行了固体火箭喷管两相粘性湍流跨音速流场计算.粘性的气相控制方程用隐式近似因子分解法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,粘性湍流选用代数模型,气相和凝相充分地偶合.CFL数可以取500左右,收敛速度快,使粘性两相跨音速喷管流场计算耗费的机时达到工程计算可以接受的程度.通过计算,获得了在粘性和粒子同时作用下的流场参数分布.这对固体火箭发动机流场需要同时考虑粒子和粘性作用的专题研究大有裨益.     

回流燃烧室燃烧过程的三维数值模拟

在三维任意曲线坐标系下数值模拟回流燃烧室火焰筒内两相燃烧过程,采用RNG k-ε模型模拟紊流粘性,EBU-Arrhenius模型模拟燃烧反应速率、离散坐标模型以及六通量模型考虑辐射传热,液相采用颗粒轨道模型,气相采用SIMPLE算法求解,并用PSIC算法考虑气液两相之间的相互作用的影响,计算得到燃烧室内速度、温度等各气流参数分布.通过将计算与实验结果对比表明,计算方法可靠,离散坐标模型优于六通量辐射模型,更适用于模拟火焰筒内两相燃烧流场.      

LRE模型燃烧室燃烧过程数值模拟

建立了任意斜交曲线坐标系下液体火箭发动机（ＬＲＥ）内部工作过程的气液两相湍流化学反应流模型。应用该模型对气氢液氧模型燃烧室内部燃烧过程进行了数值模拟，得到了全流场的速度分布图形、燃气组分等值线、流场等温线、流场等压线、流场等马赫数线、壁面温度与径向平均温度曲线和燃烧效率曲线。计算结果表明：用数值模拟方法分析ＬＲＥ内部工作过程是可行的。     

热水火箭发动机喷管内流场数值模拟

为了更好地了解热水火箭发动机的工作特性,建立了热水火箭发动机喷管流动的数值计算模型,并通过算例进行验证。通过对发动机喷管内部流场的研究,发现收敛段中压力首先降到初始温度对应的饱和压强,然后继续降低,并且在喉部的位置开始发生相变,从而使流动变为气液两相流,而且喷管出口处气相体积分数高达99%以上;由于变声速的原因,可以使两相流的流动在喉部之后达到超声速;把喷管的流动分为三个过程:单向流动过程、降压闪蒸过程和膨胀加速过程,与常规的化学能火箭发动机相比有类似性,但是由于闪蒸相变的存在,使其存在一定的复杂性。     

两级喷管喉径比对燃气蒸汽弹射参数的影响

针对两级喷管不同的喉径比参数,建立了耦合弹体运动和气液多相汽化的多相流模型,研究改变喉径比对燃气蒸汽弹射流场参数、弹射装置载荷和弹体内弹道的影响。结果表明:在一定范围内增大或者减小喉径比,均会导致弹射装置流场参数和发射稳定性变差。当喉径比增加过多时,将不能建立满足工作条件的喷水压差;喉径比过小时,激波上移最终会导致燃气发生器工作异常。喉径比为1.46时,尾罩压强差最小,发射稳定性能最优,温度最大值控制在设计值800K内,内弹道参数均满足设计要求。      

固体火箭发动机统一内流流场(一维)的分析方法

本文对固体火箭发动机燃烧室、喷管内的流场进行了统一处理.给出了考虑变截面、有摩擦、加质量、传热、非定常的一维气-固两相流动偏微分方程组.推导出的统一计算方程组可以同时获得发动机燃烧室内孔燃烧流场和喷管流场,即发动机整个内流流场;可用于定常或非定常的纯气相以及气-固两相流流场的计算.通过算例,证明计算与试验结果是十分吻合的.     

固液火箭冲压发动机内两相反应流场数值计算

为了计算固液混合式火箭冲压发动机补燃室内的三维反应流场，用块隐式法求解气相Navier-Stokes方程组，用连续介质模型和k-ε-Ap模型计算颗粒相的湍流流动与蒸发过程，用修正的k-ε-g模型描述燃料的燃烧。为了分析发动机设计参数对反应流场的影响，用不同的条件进行计算，并由此分析了补燃室几何结构和液体燃料切始颗粒直径对燃烧效率的影响。算例表明，计算方法有效可行。数值结果能够反映流场结构、液体燃料的蒸发和两种燃料的燃烧过程。     

Inhibition Effect of Water Injection on Afterburning of Rocket Motor Exhaust Plume

 One of the most important characteristic signatures of the exhaust plume from rocket motor is the afterburning phenomenon, and the injected water into the plume could inhibit the afterburning. The calculation model for the gas-liquid multiphase flow field with chemical reaction in the plume is built. By inducing the energy source terms caused by the vaporization of liquid water, condensation of the vapor and chemical reaction in the energy equation, the gas-liquid multiphase flow field and the afterburning phenomenon are calculated in a coupling way. Mixture multiphase flow model is used to calculate the gas-liquid flow field, and the vaporization mechanism is used to investigate the water vaporization process. The temperature contours are obtained and accord well with the experimental photos. The mass fraction contours of primary species are obtained, which can indicate the extent of inhibition effect of water injection on the afterburning phenomenon in the plume. When water is injected into the plume, the region of afterburning reduces a lot, and temperature on the ground wall declines rapidly, which can de-crease the ablation of the combustion gas to the launch ground.     

Pressure wave propagation characteristics in a two-phase flow pipeline for liquid-propellant rocket

The aim of this paper is to investigate the pressure wave propagation behavior in LOX/kerosene rocket engine pump pipeline. A pressure wave propagation model for gas–liquid two-phase flow with phase change taken into consideration is first proposed by using ensemble-averaging techniques. Then condensation of gas oxygen in subcooled liquid oxygen and the corresponding mixing process in pump pipeline are numerically simulated with the application of thermal phase change model in Computational Fluid Dynamics code CFX. Finally, based on the established model and the predicted flow parameters, pressure wave in gas–liquid pipeline flow, characterized by the propagation speed and the attenuation coefficient, is studied by personally compiled code on MATLAB. The calculation results indicate that the propagation speed of two-phase pressure wave first slightly falls and then increases with the decreasing void fraction along the flow direction, and the increase of angular frequency causes the propagation speed and the attenuation coefficient of two-phase pressure wave to increase. The vapor bubble diameter, mass flow rate and inlet temperature of gas oxygen are shown to have strong effects on the mixing flow condensation process of gas oxygen and liquid oxygen. Bubble with larger diameter can weaken the condensation process, and leads to greater cross-sectional mean void fraction of gas oxygen. This phenomenon results in an overall decrease in pressure wave propagation speed and an increase in attenuation coefficient except for the short slug-flow region located at the pipeline inlet. Similar effects can also be achieved by increasing the mass flow rate or the inlet temperature of gas oxygen.     

固体火箭喷管颗粒尺寸分级两相跨音速流场计算

本文中对固体火箭喷管颗粒尺寸分级的两相跨音速流场作了计算.气相控制方程采用隐式近似因子分解法求解,尺寸分级的颗粒控制方程采用特征线求解,然后,二者进行充分的耦合,可以获得固体火箭发动机含有任意颗粒质量分数和不同颗粒尺寸时轴对称喷管跨音速流场的参数分布.文中讨论了不同颗粒半径和质量分数对流场的影响,对单一颗粒尺寸和颗粒尺寸分级的参数进行了比较.两相耦合计算的迭代收敛速度取决于气相,本文中气相方程求解的格式除部分边界外是隐式的,CFL数可取至6左右,收敛速度快.特别是对颗粒尺寸分级的计算,得益更大,其得益的倍数为颗粒的分级数.     

螺旋式发射管内火箭燃气冲击流场数值模拟

用改进的MUSCL格式解三维、可压缩平均雷诺纳维尔-斯托克斯方程组,湍流模型为Spalart-Allmaras代数模型,计算和分析了火箭发射管内燃气冲击流场.在建立差分算法时,将有限体积离散和黎曼解算器相结合,简化了计算工作.首先,以小喉截面超声速喷管流动问题开展数值实验,数值结果与实验数据吻合很好;其次,计算了火箭发射管内燃气流场,获得发射管内气流压强和温度等物理参数分布.     

火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却数值仿真

对液体火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却进行了数值计算,针对液膜-燃气流场区多组分、轴对称Navier-Stokes(N-S)方程和再生冷却区单组分N-S方程进行求解,并使用k-ε方程求解湍流流动.对文献中的某液氧/煤油火箭发动机燃烧室进行了数值模拟,该模型的计算结果能够与文献中的计算结果较好地吻合.计算结果表明:①液膜-再生复合冷却能有效地减少壁面热流密度和降低壁面温度,且其形成的冷气边区覆盖了整个燃烧室及喷管壁面;②再生冷却液入口质量流量越大,复合冷却作用越明显,壁面温度越低;③随再生冷却液质量流量的不同其温升在450~600K之间,且质量流量越大,再生冷却液的温升越小.④壁面煤油的质量分数不断下降,在喷管出口壁面处达到最低值,但含有煤油的区域不断变大.      

用运载器评价发动机方案的方法

早期在对液体推进剂火箭发动机方案进行评价与选择时,仅以发动机本身的指标(如比冲、推重比等)作为方案比较的标准。这样没有考虑发动机子系统与运载器总系统的相互联系,得不到合理的评价结果。液体推进剂火箭发动机是航天运载器的一个子系统,采用运载器的性能指标评价发动机方案才能得到比较客观的结果。 本文推导了运载器的评价指标,给出了运载器的线性化质量方程,阐述了运载器设计参数的简化确定方法,由此提出了一个采用运载器评价发动机方案的方法。最后应用提出的方法对五个发动机方案进行了评价。     

固体火箭发动机内轴对称两相流场的一体化数值模拟

将固体火箭发动机燃烧室和喷管作为一个整体，应用时间相关法进行了轴对称两相流场的一体化数值模拟。对气相采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式差分格式，对颗粒相则采用特征线法进行计算。计算结果表明该方法可以对带潜入式喷管的发动机内复杂的两相流场进行有效的数值模拟。     

冲压发动机伴随蒸发过程的两相流流场计算

为了计算固液混合式火箭冲压发动机补燃室内带有燃料液滴的流场,用块隐式法计算气相流场,用分离流连续介质模型计算颗粒相的流动与蒸发过程,在控制方程组的联合求荽中,采用特定的算法来体现颗粒相的质量守恒律与尺寸的变化。算例表明,迭代过程能够快速收敛,计算结果定性正确。     

燃烧室内二维两相湍流流场数值分析

利用控制容积法求解固体火箭发动机燃烧室内的二相不可压湍流流动，采用多重区域网格法，将复杂的物理域分成两个简单的物理域，分别生成贴体网格。