基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.      

差动活塞式燃气自增压系统参数设计方法

针对基于单组元肼类物质为工质的液体姿轨控发动机差动活塞式燃气自增压系统,分析了系统的工作原理,提出了系统的参数设计方法,建立了系统的参数设计流程,给出了系统的起动压力计算模型和自锁状态计算方法,并进行了实例研究。结果表明:系统最低起动压力与压力放大贮箱气体腔初始体积、活塞摩擦力和推进剂贮箱初始气垫体积直接相关;系统自锁后,推进剂贮箱压力的设计状态受推进剂贮箱所允许的最大压力上偏差和流量调节器与推进剂贮箱间的压降所约束;推进剂贮箱的工作压力范围是可以根据需要通过燃气自增压系统的设计来保证的。     

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.     

富氢/富氧燃气同轴直流喷嘴燃烧过程数值模拟

为研究全流量补燃FFSC(Full Flow Staged Combustion)循环发动机气-气喷注器性能,以气氢/气氧(GH2/GO2)预燃室提供的758K富氢燃气和676K富氧燃气为推进剂对同轴直流喷嘴燃烧流场进行了数值模拟.考察了相同燃烧室结构、流量、入口燃气温度条件下,富氧燃气压降、富氢燃气和富氧燃气的速度比、氧喷嘴厚度和氧喷嘴缩进变化对燃烧性能的影响,获得了4个参数的影响规律.数值模拟结果对燃气气-气喷注器结构设计有参考价值.     

固体火箭发动机结构质量烧蚀对飞行器速度的影响

<正> 固体推进剂火箭发动机在工作时,燃烧室里形成高温、高压燃气,推进剂燃烧产物的滞止温度可达3000K以上。为了防止室壁被加热到丧失其强度的温度,在燃烧室内表面贴有一层防热材料,这就是由低导热系数材料组成的绝热层。为了使绝热层和推进剂能够很好地贴合,它们之间又有一层包复层把它们连在一起。包复层和绝热层在推进剂燃烧过程中也被加热,发生分解,并释放出气体产物进入燃烧室。推进剂燃气对包复层和绝热层加热,产生气化和分解作用的同时,还进行化学反应。包复层和绝热层分析解释放出的气态产物和化学反应产物随着推进剂燃气一起从喷管流出。因此,全部包复层和一部分绝热层被推进剂燃气烧蚀掉,绝热层被烧蚀的程度取决于推进剂燃气传到燃烧室壁的热流和发动机工作时间。     

气气喷嘴推进剂入口温度对燃烧和壁温的影响

以同轴双剪切气气单喷嘴为对象,对气气燃烧流场进行了数值模拟,并进行了研究,分析了喷嘴推进剂入口温度对燃烧性能和室壁温的影响,结果表明:推进剂温度变化引起的燃氧动量比变化对燃烧和壁温起主要影响;富氢燃气状态变化对燃烧和壁温的影响大于富氧燃气状态变化.试验验证了数值模拟结果.      

高压高剪切率下密封环缝隙流体动态润滑特性

为减少高压高剪切率下热效应对密封环缝隙流体润滑性能的影响，以密封环缝隙流体剪切速度梯度、壁面剪切应力和油膜温升表征摩擦副润滑性能，采用RNG k-ε湍流模型，通过Workbench建立流-固-热多场模型，计算得到不同主轴转角下缝隙流动形态变化规律和温升前后油膜厚度变化量、不同L型槽内外径比及长径比下流速流型分布规律、壁面剪切应力、温度分布和热变形量。研究结果表明:密封环L型槽黏性底层随剪切速度增大而增厚，油膜厚度随运动周期增加而变薄；当L型槽内外径比小于1.07时，随比值减小密封环壁面剪切应力不断增大，最大变化率为7%；密封环L型槽长径比在0.19时平均壁面剪切应力达到最大，当长径比继续增大时，油膜区剪切速度梯度逐渐减小，油膜温升和热变形亦随之减小。研究结果可为马达优化以减少能量损失和改善密封环润滑条件提供理论指导和依据。      

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

液体推进剂空间发动机系统对质心漂移的影响

研究了挤压式液体推进剂空间发动机系统布局对空间飞行器质心漂移的影响，提出了质心漂移的计算模型，得到了对发动机系统布局有指导作用的结论。     

低功率氮氢混合物电弧加热发动机模拟研究

对低功率电弧加热发动机内的传热与流动过程进行了数值模拟研究,分别采用氮氢混合物模拟氨和肼作推进剂,计算获得了不同入口总压和弧电流的多种工况条件下发动机内温度和速度分布.结果表明,随着弧电流的增加,发动机出口处的温度、速度和比冲也随之增加;随着入口总压的增加,工作气体流量增加,发动机喷管出口处轴向速度增加.对NASA 1 k W级电弧加热发动机采用氮氢模拟肼作推进剂进行了数值模拟,模拟结果与文献报道的实验结果大体相符.     

凝胶推进剂粘度计现场校准装置研究

通过对液体火箭发动机凝胶推进剂粘度计开展现场校准装置的研究，论述了基于振动法的凝胶模拟液加载装置的结构设计和安装方式，重点阐述了液体火箭发动机凝胶推进剂在线粘度计现场校准的工艺流程，通过测试试验获得了凝胶推进剂的压力/温度——粘度的流变数据及规律，并确定了现场校准测量装置的测量不确定度。     

某火箭三子级剩余推进剂汽化研究

针对某火箭三子级剩余推进剂的汽化过程,建立了一个零维的数学物理模型.在给定太阳辐 射角的工况下,对贮箱中低温液体推进剂汽化时,贮箱内气体温度和压力变化、贮箱内质量 变化、进入贮箱的外界热流的变化及贮箱排放推力的变化等进行了数值计算,并对贮箱保险 活门排放推力对火箭在轨速度的极限影响作了简单分析.计算结果可进一步用于该火箭三子 级钝化技术的研究.     

燃气发生器身部多学科设计优化

为了探索液体火箭发动机多学科设计优化的一般方法,以液体火箭发动机燃气发生器身部为研究对象,在对其进行面向设计的多学科分析的基础上,建立了燃气发生器身部的多学科优化模型,涉及流动、传热、结构强度3个相互耦合的学科.引入了一种新的多目标方法——物理规划方法处理其中的多目标优化问题,通过类别函数将设计者的偏好转化为优化目标,避免了对各个不同大小和量纲的分目标之间重要性的比较和权衡.优化结果显示,利用多学科设计优化减轻了燃气发生器的质量,改善了原有设计,能够提高发动机的设计水平.      

微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮箱气枕压力的影响

自生增压液氢推进剂贮箱在轨滑行阶段将长期（数百秒）处于微重力环境下，其贮箱压力受多种因素影响.液氢低温推进剂接近饱和温度时，因传热等影响而极易产生相变，从而影响贮箱压力.通过建立贮箱三维CFD模型，研究了不同初始液氢推进剂温度对于贮箱压力和温度变化等的影响.计算结果表明，气液界面附近推进剂温度与当前气体压力下饱和温度之差（过冷度）越大，压力下降速率越大.随着气体压力下降，气枕温度降低，压力下降速率也逐渐减小，压力变化曲线趋于平缓.在初始液体推进剂温度低于平衡温度的情况下，初始液体推进剂温度越高，平衡压力越高.      

Validation of a Compression Mass Gauge using ground tests for liquid propellant mass measurements

To properly estimate orbital lifetimes and predict the maneuverability of spacecraft, the remaining liquid propellant mass must be accurately known at every moment of a space mission. This paper studies the Compression Mass Gauge (CMG) method to determine the mass of liquid contained in a tank in a low-gravity environment with high accuracy. CMG is a thermodynamic method used to determine the quantity of liquid by measuring the gas pressure change when the tank volume changes, and has been previously theoretically and experimentally studied by researchers. The primary objective of this investigation is to explore the effects of attitude disturbance and the spacecraft thermal environment on the accuracy of the method. A ground test system, consisting of several test apparatuses, was fabricated and described as part of this study. The test results and analyses indicate that the CMG performs well and has an accuracy of ±1%. Additionally, demonstrations were performed to show that measurement errors do not increase drastically or exceed ±1% when the test system is vibrated to simulate the tank being perturbed as a result of an attitude disturbance. Liquid sloshing resonance was found to have a significant effect on the gauging accuracy. Measurements in a real thermal environment in which heat transfers into and out of the propellant tank were also conducted. The results show that the gauging accuracy is acceptable for normal liquid propellant. Furthermore, theoretical research shows that heat leakage has a significant influence on cryogenic propellant mass gauging.     

热力学排气系统压力控制地面原理实验研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,被认为是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂,也是未来人类月球探测、火星探测以及更远距离深空探测的首选推进剂。热力学排气技术是解决低温推进剂长期在轨应用蒸发量控制问题的一项关键技术。针对应用于低温贮箱的热力学排气系统(TVS)搭建了地面原理实验平台,采用制冷剂R123为工质,开展了增压、混合喷射降压以及节流制冷3种不同工作模式下的实验研究,分析了不同阶段箱体压力及内部流体问题变化情况,实验验证了热力学排气系统的压力控制效果,与直接排气相比,热力学排气可节省41%的排气损失,该结果可为低温推进剂在轨贮存热力学排气技术的发展提供借鉴和参考。     

失重条件下低温推进剂排放计算

针对CZ-3A系列运载火箭三子级低温贮箱内剩余推进剂排放问题,分别对排放过程中液氢和液氧低温推进剂沿2种不同排放管的流动进行了一维数值计算和分析.计算中认为在排放时沿管路压强降低,从而引起液体推进剂气化,并在管路的某个位置出现气固两相或者全部气化,在计算中,根据不同位置时推进剂的不同状态,分别采用液相、气液两相、气固两相及气相的物理数学模型和控制方程.计算得出了排放的出口参数及排放性能,认为液氢从通道1排放比较好,液氧从通道2排放比较好.为进一步进行排放研究提供了依据.      

低温射流抑制空间液氢储罐温度分层的数值研究

液氢是一种常用的沸点低、易蒸发的空间低温推进剂.空间微重力环境中浮力对流被极大减弱甚至完全抑制，当推进剂储罐壁面存在局部漏热时，储罐内部气液两相流会出现环绕漏热源的温度分层现象，引起局部过热沸腾，导致储罐内部压力急剧增大，危害系统结构安全.利用低温射流抑制温度分层现象是一种有效手段.低温流体通过设置在储罐内部的射流喷嘴与储罐内部的流体混合，消减局部高温，实现温度的均匀化.本文采用全充满的二维缩比储罐模型，对微重力条件下液氢储罐内局部漏热引起的温度分层现象进行数值模拟，分析低温射流条件对于消除微重力条件下液氢储罐内部温度分层效果的影响.      

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

为验证板式贮箱蓄液器的蓄液性能,搭建了蓄液器模型试验系统,针对蓄液器模型的蓄液性能和流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下蓄液器的流体蓄留和传输规律.试验结果表明,相对于楔形蓄液器,双圆锥形蓄液器具有更好的蓄液能力,对于双圆锥形蓄液器,承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力,合理设计蓄液器结构可有效地蓄留液体并控制液体传输速度.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件设计优化提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新方法.