塞式喷管性能损失分析

影响塞式喷管性能的因素是多方面的,为了明确各种损失对其的影响程度,根据塞式喷管的工作特点,通过建立的塞锥壁面压力分布的简化模型,初步分析了这些因素,比如摩擦损失、化学非平衡损失、截短损失和底部损失等.结果表明,由于塞锥长度的截短所引起的截短损失和底部损失是影响塞式喷管性能的主要因素.为了减小由此所带来的性能损失,应通过实验和数值模拟的方法着重研究气流在塞锥上和底部的流动特征,并且在设计的过程中应该考虑这些因素,以降低其对性能的影响.     

塞式喷管三维流场的数值模拟

从曲线坐标下的三维平均雷诺的N-S方程出发,并用k-ε两方程湍流模型封闭方程组,采用二阶精度的精度无波动、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,并对线性塞式喷管和瓦状塞式喷管在不同落压比下的三维流场进行了数值模拟研究.结果较好地预示了塞式喷管的三维流场特征,并且显示瓦状塞式喷管除了圆柱形结构比平板更能承载外,其塞锥压强分布可以进一步改善其受力情况.     

外流对塞式喷管流场和性能的影响

在四个不同高度上选择有代表性的外流马赫数,计算和对比了不同外流下塞式喷管性能的降低和塞锥表面的压强分布,数值模拟研究了外流对塞式喷管流场和性能的影响.结果表明,外流造成的性能损失主要体现在运载器底部阻力增加和塞锥表面压强降低两方面.在中低空以下,运载器底部推力和塞锥推力均随外流马赫数的增加而减小,飞行中外流对性能的影响随高度的增加而减弱,从低于设计点的某一高度开始塞锥推力不再受外流影响.低马赫数亚声速外流时,性能损失随外流马赫数的增加成近似线性增加;跨声速外流时,性能损失突然出现较大幅度增加;在继续的超声速范围内,性能损失随外流马赫数增加只有小幅增长.      

多单元直排塞式喷管发动机性能

为了了解优化设计的塞式喷管的性能及燃气流动中热力学参数变化对性能的影响,对比钟型喷管与塞式喷管的高度特性,从曲线坐标下的三维平均雷诺N-S方程和Euler方程出发,采用LU时间隐式格式、MUSCL空间离散方法,发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序.计算了从喉部圆转方内喷管的性能,比较了冻结和变化热力学参数对塞式喷管性能的影响及塞式喷管与相同面积比钟型喷管的高度特性曲线.计算结果可为塞式喷管的设计研制提供参考.      

塞锥截短对塞式喷管性能影响的实验

为了研究塞锥截短对塞式喷管性能的影响,对截短率为80%、40%、30%和20%的塞式喷管进行了冷流实验.介绍了实验系统的组成和推力测量方式,得到了不同塞锥截短率的推力系数效率的高度特性曲线.实验结果表明:截短率越小,效率越低,不同截短率的效率差别随着压强比的增加而减小;随着截短率增大,截短率对效率的影响程度逐渐降低.截短率太小,性能损失较大;截短率太大,塞锥的尺寸增大,而性能提高却不明显.通常的取值范围是30%~40%.      

单元二维直排塞式喷管冷流实验

为研究塞式喷管的高度特性和底部特性,采用高压空气为工作介质对单元直排塞式喷管进行实验.研究了底部盖板、底部二次流对性能的影响和塞锥壁面压强分布.实验结果表明:无底部盖板可提高塞式喷管低空性能2%~7%;底部二次流可提高底部压强,减少底部开闭状态转变过程带来的推力突降;底部二次流流量以1%~1.5%为宜,过大将引起喷管性能下降.本实验喷管设计点效率均超过99%,部分实验接近100%,高度补偿效果明显.     

塞式喷管热试实验和数值模拟

以气氢／气氧为推进剂,对三单元直排塞式喷管发动机进行了热试实验和数值模拟研究.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.数值模拟研究了塞式喷管的流场特点,数值预示了实验塞式喷管发动机的高度特性曲线.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.使用爆震波点火器点燃多个单元推力室,成功进行了热试实验.在2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喷管效率.在C_NPR=50附近,效率达到92％~93.5％;在C_NPR=350附近,效率达到95％~96％.预计在设计点的效率不低于98％.      

环境压强对气动塞式喷管底部压强的影响

为了了解环境压强对塞式喷管底部压强的影响,利用隐式NND格式(Non-oscillation, No free coefficients Dissipative scheme)求解二维层流N-S方程,计算了在没有底部二次流和二次流质量流率为1.4%的情况下,不同环境压强时的底部压强.结果表明,随着环境压强的升高,底部压强也在增加,但在闭尾迹时增加缓慢,在开尾迹时,增加迅速,并可能出现波动.      

喷管分离流动及其侧向载荷

利用商业软件CFX对某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动进行了三维数值模拟.计算获得了喷管入口总压从8MPa减小到1MPa时的流场参数分布和侧向力载荷情况.结果表明,随着入口总压的降低,喷管内流场会依次经历自由激波分离和受限激波分离两种分离激波模态.受限激波分离模态下喷管壁面压强具有较大波动,再附着点压强甚至高于环境压强.流动分离情况下,喷管将受到一定侧向载荷作用,载荷方向随机分布.入口总压为4MPa时计算得到的侧向载荷最大,实际侧向载荷峰值可能出现在自由激波分离与受限激波分离转换瞬间.     

氢氧谐振点火器多室同步点火研究

将气动谐振点火技术应用于塞式喷管发动机多推力室的多次同步点火,研制了新型的氢氧谐振点火器. 通过对点火器的点火响应时间、点火延迟时间、多次点火的重复性以及点火器寿命等方面进行试验研究,验证了新研制的点火器具有起动快、点火延迟时间短、多次点火重复性好、寿命长等特点.采用2个点火器联试的方式进行了5次同步点火试验,研究了连接管路对同步性的影响,并提出了进一步缩短同步性时差的方法,结果表明氢氧谐振点火器完全可以满足塞式喷管发动机多推力室同步点火的要求.     

V形尾缘喷管流场与红外特性的数值模拟

采用有限体积QUICK格式和重整化群(RNG) k-ε 湍流模型,并结合壁面函数,同时利用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算热辐射,以灰气体加权模型WSGGM(Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、固壁中的热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程.采用此耦合计算模型对V形尾缘的收敛喷管进行了数值模拟,计算所得数据与试验吻合良好.在此基础上,对有/无V形尾缘收-扩喷管的内外流场与红外特性开展了数值模拟.结果表明:V形尾缘在尾喷流的剪切层中产生了强烈的流向涡,促进了内外流的强化混合,明显缩减了喷管出口附近喷流的红外辐射.      

喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时,喷管几何形状对热流分布的影响;其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法,分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算,揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律,可以用于指导工程分析。      

喷管两相流耦合数值模拟与粒子热增量预测

含有氧化铝粒子的两相流是固体火箭发动机喷管流场的重要特征.在有限体积方法框架下,采用基于热增量试验数据的粒子壁面反弹模型以及基于粒子轨道的单元内颗粒源(PSIC,Particle Source in Cell)两相流耦合算法,对喷管内两相流流场及粒子撞击产生的壁面热增量进行了计算和分析,研究了氧化铝粒子尺寸对粒子轨道分布和喷管壁面热增量分布的影响规律.研究结果表明:喷管扩张段内粒子稀疏区域范围随粒子直径增加而增大;粒子热增量只分布于喷管收缩段内,粒子直径越大,产生的壁面热增量越强.     

两种流体控制方案矢量喷管内流场计算及分析

在激波诱导和喉道倾斜2种流体控制方案下,对推力矢量喷管的二维内流场进行了数值模拟.用局部加密的四边形结构网格对流场进行网格划分之后,采用二阶迎风离散格式和二方程湍流模型求解强守恒形式的Navier-Stokes方程,通过对内流场的模拟获得流体控制推力矢量喷管方案的推力矢量特性.计算结果表明:对于激波诱导矢量控制方案,在小落压比大注气量且后缝注气的情况下所产生的矢量角最大;对于喉道倾斜矢量控制方案,在扩张片上以与主流成某一角度的方向注入气流产生的矢量角最大且没有带来较大的推力损失;喉道倾斜矢量控制方案因其推力损失较小且能够降低喷管的重量与造价而更具发展前景.      

三维抛物化N-S方程全隐格式矢通量分裂求解

采用全隐格式的矢通量分裂算法,在通用曲线坐标系内求解三维无因次抛物化强守恒型N-S(Navier-Stokes)方程.所建立的计算程序,可计算较为复杂边界的三维流场,如求解亚、跨、超音速共存的流场,分区模拟内外流共存流动及其混合剪切尾流.给出了一轴对称亚跨超音速喷管内流场的计算结果,包括计算网格,流矢分布,压力、温度和马赫数等值线分布.也给出了一喷管内外流及其混合尾流的计算结果,包括计算网格,流矢分布,无因次压力、密度和温度等值线分布.     

固体运载火箭变轨发动机喷管气流分离研究

固体运载火箭变轨发动机喷管在工作过程中可能产生气流分离问题,为研究气流分离对喷管性能的影响,开展了理论计算与数值模拟分析。通过分析获得了气流分离点位置、推力系数、喷管壁面的压强、对流换热系数、温度分布。结果表明:地面推力系数是真空推力系数的73.3%,喷管气流分离影响了发动机能量转换;气流分离后喷管壁面压强、对流换热系数、温度存在跃变现象,从而会对喷管扩张段产生不利影响。该分析为进一步研究固体火箭发动机高空喷管通过地面试验性能预示高空性能及喷管扩张段热防护设计提供参考。     

脉冲爆震火箭发动机收敛扩张喷管数值模拟

排气喷管是脉冲爆震火箭发动机(PDRE)的重要部件,对提高发动机的推进性能起着重要的作用.应用特征线法给出一维CJ爆震波在理想爆震管内传播过程的解析解.对爆震波到达爆震管口后,发动机的非定常排气过程进行了二维轴对称数值模拟.数值模拟结果形象地反应了非定常流场的演变,详细讨论了激波和涡等的发展变化过程.所选用的收敛扩张喷管能够提高发动机性能达到18.24％.      

高超声速飞行器尾喷管的优化设计

以喷管上壁折转角、下壁长度、舵面长度及其折转角为设计变量,结合遗传算法和特征线法对高超声速飞行器尾喷管进行了优化设计,并对设计变量进行了参数研究.结果表明,所采用的优化设计方法计算效率高且比较准确,特别适合于高超声速飞行器尾喷管的优化设计;所采用的4个设计参数均能有效地影响尾喷管的气动性能,其中喷管上壁折转角和舵面折转角分别对喷管的升力和推力的影响相对明显,对其进行均衡选择方能得到最优的结果.      

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

超音速喷流DPIV瞬时速度场实验测量

介绍了采用数字式互相关粒子图像测速系统(DPIV)在测量超音速喷流实验中的应用;实验给出了设计马赫数Ma=1.5的小型拉瓦尔喷管在不同总压和反压比条件下,喷流速度场、流线、涡量分布等定量信息.实验结果显示出流场中激波前后流体速度,涡量分布的明显变化,波系的结构和不同于一维管流的流动特性.