塞式喷管推力模型的建立与实验验证

 为了能够方便快捷地对塞式喷管发动机的性能做出准确的预示，通过理论分析，结合塞式喷管的流场特征，提出了一种塞式喷管壁面压强分布的数学模型。在此基础上，分别建立了全长型和截短型的塞式喷管的推力模型。通过与实验的对比分析，模型与实验数据基本吻合，验证了塞式壁面压力分布的数学模型以及在此基础上建立的推力模型，可以作为塞式喷管发动机性能预示的有效工具。     

单元塞式喷管结构对性能影响的数值研究

从N－S方程出发，采用二阶精度的NND格式对塞式喷管的流场进行了数值模拟，重点研究了单元喷管的倾角的塞锥的截断长度在偏离设计高度时对性能的影响。结果表明，不管是在低于还是高于设计高度，随着倾角的增加，内喷管对推力的贡献在减小，塞锥和底部对推力的贡献却增大，而侧喷管的最佳倾角却基本相同，都在全长型塞式喷管设计角度附近。截断后的塞式喷管虽然减小了重量，但不管是在低空还是高空，性能均低于全长型塞式喷管，因此增加底部的推力是提高性能的一个重要途径。     

塞式喷管主喷管角度特性

首先建立了塞式喷管角度特性的研究模型，并运用简化的塞锥设计方法设计塞锥型面，在此基础上，通过连续改变主喷管倾角来研究主喷管倾角对塞式喷管的推力性能的影响，并确定在给定设计条件下的主喷管最佳倾角，还分析研究了底部高度，内膨胀比，总膨胀比，总压和飞行高度与主喷管最佳倾角的关系以及变化规律，针对特定的塞式喷管实验发动机，进行了初步的变角度实验，并与计算结果进行比较和分析。     

两相流对固体火箭发动机塞式喷管性能的影响

针对固体火箭发动机中气固两相流对塞式喷管性能的影响,利用颗粒轨道模型法计算了环喉型塞式喷管两相流流场,辨识颗粒在流场中的运动轨迹,分析不同粒径颗粒对流场及推力性能的影响。结合传统钟形喷管,比较不同工况下塞式喷管与钟形喷管的推力性能,分析气固两相流对塞式喷管高度补偿特性的影响。结果表明：随着颗粒粒径的增大,颗粒会出现交错式的运动,增加了流场的复杂性;单个颗粒与该截断式塞锥只会发生一次碰撞,且粒径越大,碰撞位置越靠前;单一粒径颗粒带来的推力性能损失与颗粒粒径成正比,与工作压比成反比;真实工作条件下,相比于钟形喷管,气固两相流在设计工况对塞式喷管带来约3%更多的推力效率损失,推力效率最终趋于弱于钟型喷管2.7%,但塞式喷管在低压比工况仍具有可观的性能优势。     

瓦状特征型面塞式喷管三维计算与实验

为了进一步了解瓦状塞式喷管的性能,采用NND差分格式求解三维N S方程和空气冷流对6单元瓦状特征型面塞式喷管进行了数值模拟和实验研究。研究模型的内喷管面积比为4,总面积比为40,设计压强比为1047。计算得到了流场马赫数和塞锥表面压强分布、喷管推力系数效率,以及不同压强比下中心平面、过渡平面和边缘平面的塞锥表面压强变化规律。计算结果与实验数据吻合得较好,效率数值最大相差1%。实验塞式喷管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,效率在0 93～0 995之间变化。和以前简化型面的4单元瓦状塞式喷管相比,实验和数值模拟均说明塞锥特征型面的优化设计提高了喷管性能,更充分体现了塞式喷管的高度补偿特性,可以成为未来工程应用的选择方案。     

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。     

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。      

“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。     

塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响

为了分析塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响,分别设计了使用塞式喷管和钟形喷管的固液火箭发动机。发动机喷管选取了三个不同的扩张比,对应高空和地面两个设计状态。通过数值仿真,预估了发动机的性能,并将使用塞式喷管结构和钟形喷管结构的两种固液火箭发动机进行了对比分析。结果表明:相对于钟形喷管结构,使用塞式喷管结构能够提高固液火箭发动机的燃烧效率和比冲效率,且最大分别提高了4.13%和3.37%;地面条件下,大扩张比的塞式喷管的仿真推力系数要比同扩张比的钟形喷管的仿真推力系数大2.69%,体现出塞式喷管的高度补偿效应;与钟形喷管内壁面温度相比,塞式喷管塞锥壁面的温度明显更低。     

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。     

多单元直排塞式喷管数值模拟和性能分析

为了了解不同圆形喉部方形出口内喷管和不同内喷管倾角及不同塞锥型面对塞式喷管性能的影响，选择更好的塞式喷管设计方案，从曲线坐标下的三维平均雷诺N-S方程出发，用κ-ε两方程湍流模型封闭方程组，采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)，发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序。计算了具有不同转方位置、不同转方后型面和不同出口圆角内喷管的性能。比较了不同设计参数对塞式喷管性能的影响，通过比较得到了较为优化的结论。     

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。     

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     

塞式喷管流场数值模拟

采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式,从考虑к－ε湍流模型的理想气体三维薄层近似Ｎ－Ｓ方程出发,对塞式喷管内外流场进行了数值模拟。计算结果与国外文献十分一致。通过流场分析,对塞式喷管流动机理有了清楚的认识。计算表明ＮＮＤ２Ｍ差分格式及相应计算软件适合于模拟复杂喷流流场,可用于塞式喷管发动机的研究。     

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。     

塞式喷管冷流实验和数值模拟研究

开展了塞式喷管冷流实验和数值模拟研究。实验模型采用直排的点膨胀构型，实验测量了两种塞体长度的塞式喷管在不同压比条件下的表面压强分布，拍摄了典型工况下流场的纹影照片。数值模拟采用二阶NND格式求解二维N-S方程，计算得到的壁面压强分布与实验结果吻合较好。通过实验和数值模拟验证了塞式喷管高度补偿特性，得到的结论为塞式喷管设计和性能预报提供了依据。     

固体塞式喷管二次喷射推力矢量控制

结合塞式喷管的结构特点,选用流体二次喷射的方法,在应用迎风格式求解N-S方程的基础上,对固体塞式喷管发动机的推力矢量控制进行了初步研究。考察了工作压比、流体二次喷射的角度和流量对固体塞式喷管的高度特性以及流体二次喷射产生的侧向力的影响。结果表明,流体二次喷射的推力矢量控制方法可以增加塞式喷管的轴向力;流体二次喷射产生的侧向力与二次喷射的流量和角度成正变关系;塞式喷管轴向力的增加随着二次流流量的增加而增加,但是二次流对轴向力的增加与二次流喷射的角度成反变关系。