固体火箭发动机喷管阻尼特性的数值仿真

为了探究影响固体火箭发动机喷管阻尼特性的关键因素,基于典型柱状装药固体火箭发动机二维简化模型,利用脉冲衰减法,开展喷管阻尼特性数值仿真计算,研究了喉通比和燃烧室长度对喷管阻尼常数的影响规律,结果发现数值模拟结果与经验公式理论预估结果有较好的一致性,证实了该数值方法的有效性;在此基础上,进一步探讨了无法由经验公式直接获知的诸如喷管收敛半角以及收敛型面对喷管阻尼常数的影响规律,结果表明:收敛半角对喷管阻尼常数有很大的影响,在设计范围内,较小的收敛角有益于提高喷管阻尼特性;收敛段型面对喷管阻尼也有一定的影响,凸型型面阻尼特性优于锥型型面,锥形型面优于凹形型面.      

流路参数对收扩喷管内流特性影响的数值研究

用经冷态缩比模型内流特性试验验证的三维有黏定常程序,对某轴对称收扩喷管进行了收敛调节片长度、喉道圆弧半径、扩张调节片长度和喷管扩张面积比对内流特性影响规律的计算研究.研究结果表明:收敛调节片长度和喉道圆弧半径主要是对收敛半角较大工况的流量系数有一定的影响,可以在确保收敛半角小于45°前提下适当减小收敛调节片长度;扩张调节片长度和喷管扩张面积比主要是对推力系数影响较大,扩张调节片长度和喷管扩张面积比的选择应在确保扩张半角小于16°前提下力争气流完全膨胀.      

脉冲爆震火箭发动机喷管构型数值研究

利用准1维模型对带喷管和不带喷管脉冲爆震火箭发动机(PDRE)模型的工作过程进行了数值仿真,研究了喷管构型对单次爆震过程流动以及排气性能的影响。结果表明,带有收敛扩张喷管和收敛喷管PDRE的内部流场比不带喷管和带扩张喷管PDRE的更为复杂。在爆震管完全填充的条件下,各种构型的喷管都能使PDRE性能增益,而收敛喷管使PDRE性能增益最大。但是,带收敛喷管PDRE的比冲仍远低于热力循环理论值,因而优化喷管设计具有进一步提高比冲的潜力。     

涡扇发动机轴对称引射收敛喷管红外辐射特性

数值研究了涡扇发动机轴对称引射收敛喷管的红外辐射特性.排气系统的流场计算采用商用数值模拟软件,红外辐射特性计算采用自主开发的软件NUAA-IR,计算分析了轴对称收敛喷管和引射收敛喷管在3~5μm波段红外辐射特性以及喷管内不同固体壁面在探测方向上的红外辐射贡献.结果表明:引射收敛喷管的红外抑制作用主要在于引射加强了尾喷流与环境大气的掺混,减小了尾喷流的长度,降低了燃气流的红外辐射;引射收敛喷管对喷管内固体壁面的遮挡以及降温作用很小,只在方位角为20°方向上对内涵壁面、外涵内壁等中低温壁面有效;引射收敛喷管的总积分辐射强度在方位角为0°~15°范围内与收敛喷管几乎相等,在其他方位角范围内均小于收敛喷管,且在方位角为40°方向上降低幅度达到最大,约为34%.      

喷管型面对固体火箭发动机性能的影响

用时间相关法数值计算跨音速喷管流动时,其控制方程分别采用守恒型和非守恒型方程.通过对JPL喷管进行计算发现:在相同的精度下,非守恒型方程的收敛速度比守恒型方程的收敛速度快一倍多.采用修正阻尼法(DASHCO法)进行数值计算,其收敛速度均提高六倍以上.最后,采用直接优化法研究了喷管收敛段型面及喉部型面对发动机性能的影响.     

新型浮动式收敛袋型密封动力特性与自适应同心性能数值研究

提出新型浮动式收敛袋型密封结构,建立新型收敛袋型密封与传统迷宫密封多频椭圆涡动动力特性求解模型,研究转速、进出口压比及偏心率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封浮动同心力的影响,对比分析涡动频率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封动力特性系数的影响,基于有效刚度系数定量分析浮动密封的自适应同心性能。研究结果表明：随着转速、进出口压比、偏心率的增加,新型收敛袋型密封产生的浮动同心力增大;相同工况下,新型收敛袋型密封的浮动同心力大于传统迷宫密封的;随着转子涡动频率的增加,传统迷宫密封的有效刚度系数减小,新型收敛袋型密封的有效刚度系数增大,同一涡动频率下,新型收敛袋型密封的有效刚度系数大于传统迷宫密封的。新型浮动式收敛袋型密封具有良好的自适应同心性能。     

新型浮动式收敛袋型密封自适应同心性能数值与实验研究

提出了新型浮动式收敛袋型密封结构，建立了新型收敛袋型密封数值求解模型，研究新型收敛袋型密封周向压力分布规律，分析进出口压比和偏心率对新型收敛袋型密封泄漏量及浮动同心力的影响。设计搭建了浮动式自同心密封实验台，在数值计算结果与实验测试结果相互验证的基础上，研究进出口压比和偏心率对新型浮动式收敛袋型密封泄漏量及自适应同心性能的影响。研究结果表明：在本文研究工况下，新型收敛袋型密封所产生的浮动同心力是传统迷宫密封的8.9~10.9倍。在不同进出口压比和偏心率下，传统浮动式迷宫密封均始终处于初始偏心位置，自适应同心性能较差。新型浮动式收敛袋型密封均向转子轴心方向移动，且随着进出口压比和偏心率的增大，浮动响应时间缩短，自适应同心性能增强。新型浮动式收敛袋型密封具有良好的浮动响应特性和自适应同心性能。     

双S弯喷管流动特性及红外辐射特性分析

基于分区控制技术,发展了型面易控的双S弯喷管型面设计方法,用CFD数值模拟技术,对双S弯喷管的流动特性进行了数值模拟.采用信息通道界面(MPI)并行算法编写了基于离散传递法的红外辐射特性计算程序,对双S弯喷管红外辐射特性进行了计算,并与具有相同进出口面积的轴对称收缩喷管的红外辐射特性进行了对比.研究表明:双S弯喷管宽边探测面红外辐射强度低于窄边探测面红外辐射强度,最大幅度为80%;与轴对称收缩喷管相比,双S弯喷管红外辐射强度明显降低,尤其在宽边探测面的30°~40°探测方向上,比轴对称收缩喷管的红外辐射强度低大约30%.      

2种进气畸变流道结构对航空发动机

基于某型航空发动机插板式进气总压畸变试验,重点分析了进气段采用收敛形和直线形2种进气流道结构对发动机进口总压畸变流场的影响,并对3维数值模拟结果进行了研究。结果表明：在收敛形进气流道结构下,当插板相对插入深度大于45%后,发动机进口总压畸变流场稳态周向畸变指数逐渐减小,且随插板深度增加,发动机进口畸变流场逐渐趋向均匀;直线形进气流道结构在插板深度逐渐增加时,进口畸变指数平稳增大,流场不均匀性增强,能较好地表征发动机进口畸变流场形态     

Numerical study on combustion efficiency of aluminum particles in solid rocket motor

The combustion of aluminum particles in solid rocket motor plays an important role in energy release of propellants. However, due to the limited residence time, aluminum particles may not be burned completely, thus hindering the improvement of specific impulse. This study aims to explore the characteristics of aluminum combustion efficiency and its influencing factors by experiments and numerical simulations, providing a guideline for engine performance improvement. As an input of simulation, the initial agglomerate size was measured by a high pressure system. Meanwhile, the size distribution of the particles in plume was measured by ground firing test to validate the numerical model. Then, a two-phase flow model coupling combustion of micro aluminum particle was developed, by which the detailed effects of particle size, detaching position and nozzle convergent section structure on aluminum combustion efficiency were explored. The results suggest that the average combustion temperature in the chamber drops with increasing initial particle size, while the maximum temperature increases slightly. In the tested motors, the aluminum particle burns completely as its diameter is smaller than 50 μm, and beyond 50 μm the combustion efficiency decreases obviously with the increase of initial size. As the diameter approaches to 75 μm, the combustion efficiency becomes more sensitive to particle size. The combustion efficiency of aluminum particle escaping from end-burning surfaces is significantly higher than that from internal burning surface, where the particle combustion efficiency decreases during approaching the convergent section. Furthermore, the combustion efficiency decreases slightly with increasing nozzle convergent section angle. And theoretically it is feasible to improve combustion efficiency of aluminum particles by designing the convergent profile of nozzle.     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅱ)收缩管聚集法

发展了一种能开展高过载条件下绝热层烧蚀研究的模拟实验方法——收缩管聚集法，研制了收缩管聚集高过载模拟烧蚀实验装置。对实验装置及固体火箭发动机过载条件下的三维两相内流场开展了对比数值模拟，结果表明这种实验装置产生的高浓度粒子流与40g纵横向过载条件下发动机内形成的高浓度粒子流状态很接近，说明这种实验方法是可以模拟高过载条件下绝热层烧蚀环境的。利用这套实验装置开展了高浓度粒子流冲刷条件下绝热层烧蚀实验，对6种绝热材料开展的烧蚀实验表明：所有试件表面均被冲蚀出一个凹坑，说明粒子冲刷对绝热层烧蚀影响很大。凹坑最大烧蚀部位与数值模拟得到的粒子浓度最大部位基本吻合。     

涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性数值研究

红外隐身技术对提高未来战机战场生存力具有重要意义,发动机排气系统是飞机后半球的主要红外辐射源。为了研究涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性,结合引射喷管的CFD计算,采用离散传递法计算红外辐射强度,研究了普通引射喷管以及带5°下倾角的引射喷管后半球3～5μm以及8～14μm波段的红外辐射强度空间分布规律,并与相似尺寸的涡扇/涡喷发动机收缩喷管进行比较。结果表明：在探测角度较大时,涡扇发动机引射喷管的红外辐射强度较收缩喷管小20%左右;引射喷管结构上的非对称性导致红外辐射强度角向分布也呈现非对称性特征;8～14μm波段与3～5μm波段的红外辐射空间分布规律基本相同,但辐射能量小40%左右。     

航空发动机排气喷管红外辐射特征数值研究

红外隐身技术对提高未来战机战场生存力具有重要意义,发动机排气系统是飞机后半球的主要红外辐射源。为了研究涡扇发动机排气喷管的红外辐射特性,采用与成熟商用CFD软件相结合的策略,基于离散传递方法,自主开发航空发动机排气系统红外辐射特征数值计算软件。提出一种射线行程追踪方法,用来提高软件计算效率和模拟精度;最后用该软件对某型涡扇发动机排气系统收缩喷管及两种采用不同红外抑制措施的喷管进行数值模拟研究。结果表明：相对于传统的收缩喷管,二元喷管能够在绝大部分探测方向上有效降低喷管的红外辐射,引射喷管可在大角度探测方向上起到显著的红外隐身效果。     

喷管气动参数对推力矢量影响的数值模拟

以二元收扩喷管为对象,开展了基于二次流喷射的流体推力矢量技术研究。基于CFD技术,分析了激波矢量控制技术实现推力矢量的机理。重点分析了喷管落压比NPR,二次流总压比SPR,自由流马赫数Ma∞对流体推力矢量性能的影响。数值模拟结果表明:推力矢量的大小与斜激波的位置、角度以及流动分离区的大小有关。在所计算的参数范围内,推力矢量随喷管主次流的变化规律是:推力矢量角随NPR的增大逐渐减小;随SPR的增加,推力矢量角单调增加;在大落压比时,自由流马赫数对推力矢量的影响是有限的,而在低落压比时,自由流马赫数增加,推力矢量角减小。     

Hamilton正则方程半解析法的收敛和对称分析

近年来,Hamilton正则方程半解析法在工程问题上的应用越来越广泛,但至今未见有关这种方法收敛性和对称性问题研究的文献。基于Hamilton正则方程的半解析法理论,通过变分原理详细推导了Hamiltonian元素的固支和简支边界公式及对称边界公式。多个实例的数值研究表明：随着网格加密,Hamilton正则方程半解析法的收敛速度快于一般传统位移有限元法,对称解法的效率明显优于整体解法。     

航空发动机圆套状尾喷管流场温度场数值模拟

对某机型双收缩圆环套状尾喷管内, 冷热气流相互掺混的流动传热过程, 作了数值模拟。用SIMPLE思想在曲线系中进行程序设计。该程序可以对任意形状的两股流有(无)掺混时的流场、质量场、温度场、辐射通量场进行模拟, 对二维流动传热问题比SIMPLE程序更具有通用性。最后对某机型的实际情况(形状尺寸), 用区域拼装法生成曲线网格作了模拟。结果说明, 引射的冷空气与热主流在双收敛喷管内掺混, 确实能降低尾喷管内气流温度、降低红外辐射。      

间隙位置和几何对端壁冷却性能的影响

采用数值求解三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和k-ω湍流模型,研究了间隙位置和几何对燃气轮机叶片端壁冷却性能的影响。在验证数值方法正确性的基础上,研究了3种间隙位置对端壁气膜冷却性能的影响,并提出了3种渐缩梯形间隙结构,分析了渐缩间隙结构对端壁流动和冷却特性的影响。结果表明,间隙距叶片前缘距离的增大会降低叶片前缘附近马蹄涡影响区域的气膜有效度,但是,当质量流量比大于1.0%时,端壁气膜有效度分布均匀性提高。在质量流量比为0.5%时,间隙位于距叶片前缘0.1倍轴向弦长位置时,会发生主流入侵的现象。相比于原始间隙,3种渐缩梯形间隙均能够显著提高端壁气膜有效度。特别是质量流量比为1%时,3种渐缩梯形间隙使得端壁平均气膜有效度最大增大了105.36%。此外,渐缩梯形间隙还防止了在质量流量比为0.5%时,主流入侵的发生。     

超音速喷管收缩扩张段匹配问题研究

超音速喷管由收缩和扩张两段组成,是高速风洞中获得超音速流动的重要部件。对于超音速喷管收缩段设计方法的研究较多,但尚未见到喷管收缩段的几种设计型面曲线如何与扩张段合理匹配问题的研究。针对以上的问题,利用CFD数值模拟方法对几种收缩曲线与扩张段匹配问题进行了计算。通过对计算结果进行对比分析,发现不同收缩曲线对超音速喷管内流有一定的影响,分析了流场特征,展示了马赫数在喷管内部的分布。     

梯形和矩形通道内短扰流柱排流动与换热计算

为了得到逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的流动换热的规律,对梯形通道内扰流柱排的端壁换热和压力损失进行了数值计算,并与矩形通道进行比较。计算结果表明:(1)梯形通道与矩形通道的端壁总平均换热系数相差不大,但是梯形通道内每排扰流柱的Nu数相差较大。(2)相同来流Re数条件下,梯形通道的压力损失系数远大于矩形通道。所以,在实际计算逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的平均换热时,可近似采用矩形通道内扰流柱的实验关联式,并且将每排扰流柱分别计算。在计算压力损失时,不能将梯形通道近似成矩形通道。     

火箭冲压发动机掺混流场数值方法研究

鉴于火箭冲压发动机补燃室内呈现出复杂的三维化学反应流,传统方法对这一流场的数值分析所遇到的主要困难是求解椭圆型Ｎ－Ｓ方程组极为耗时而不利于工程应用,采用先进的块隐式法求解恒温掺混流场得到了很快的收敛速度,这一尝试为快速计算化学反应流打下了很好的基础。