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.     

三维多组分羽流及其效应的数值模拟

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽流场及其效应进行数值模拟,计算得出羽流场的物理参数分布、化学组分分布,得到了羽流对太阳能帆板的羽流气动力和气动热效应.计算结果表明对于太阳能帆板的羽流效应防护应以N2,NH3为主,姿控发动机羽流会对太阳能帆板撞击产生气动力和气动热的影响,在太阳能帆板前沿中点处,存在气动压强峰值和气动热流峰值.计算结果为研究羽流效应提供了参考依据.     

进气旋流对推力喷管性影响的研究

介绍了模拟近代大涵道比发动机排气状况的旋流模型,和在喷管落压比1.2到6.5范围内,进气旋流对轴对称喷管,矩形收-扩喷管,楔形二元喷管,和单边膨胀斜板形喷管等性能和射流流态影响等的一些实验结果。实验数据指出:进气旋流可使喷管出口射流柱中的旋涡加强,射流与外界气流间的混合区扩大,中心核心流区缩小,但它对轴对称喷管出口流态的影响很小。进气旋流同时对喷管推力系数和流量系数均起不利影响,增大进气旋流角度会使喷管推力系数和流量都下降,特别是当旋流角超过某一“临界”值后二者降低很急剧,并且二元喷管降低的程度比轴对称喷管更严重,因之在具体应用情况中,保留多大发动机的旋流,要针对具体情况综合考虑各种因素来选定。     

轴对称羽流流场数值模拟和实验验证

针对在轨航天器羽流效应对航天器整体寿命的影响,在"DFH"系列卫星姿控发动机喷管羽流实验研究的基础上,建立喷管的轴对称模型,选取矩形计算区域,设定一定的边界条件和计算条件,采用轴对称单组分直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法对相应实验状态的羽流流场进行数值模拟研究.通过对比数值模拟结果和实验测量结果,表明DSMC数值模拟羽流流场的计算结果符合实际流动规律,实验验证了所编制的轴对称DSMC数值模拟程序的正确性和有效性.      

卫星姿控发动机高空羽流场工程分析

发展卫星姿控小推力发动机高空羽流场的工程估算方法,计算分析其主要燃气组分的分布特征.采用网格技术将发动机喷管出口截面剖分形成多独立点源,建立了非均匀出口流动条件下的分析模型.与自由分子单一点源模型相比,该模型的计算结果更接近实验值.对MBB 10 N双组元发动机多组分羽流场的研究表明,压强场和内能场的变化较剧烈;不同于轻分子组分,重分子组分主要集中于轴线附近,其密度场呈较强方向性.      

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。     

Satellite launch vehicle effect on the Earth’s lower ionosphere: A case study

The effect of the rocket exhaust products on the D-region of the ionosphere is investigated with the help of Very low frequency (VLF) electromagnetic wave propagation characteristics within the Earth-ionosphere waveguide. The changes in the electron density profile are computed from the observed VLF signal amplitude perturbations about 3 dB during the rocket launch. We find a localized electron depletion in the lower ionosphere at an altitude of around 58 km, that is thought to be originated by the attachment of ionospheric ion and molecular hydrogen along with water molecule in the exhaust product of first stage burn of Geosynchronous Launch Vehicle (GSLV) rocket at the time of GSLV launched from Sriharikota, India, on 27 August 2015 at 11:22 UT (16:52 IST). The ionospheric depletion perturbed the navigational VLF signal (VTX = 17 kHz) 134 s after the launch of the GSLV rocket.     

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。      

运载火箭贮箱排气管路中波纹管力学环境地面模拟验证分析

运载火箭贮箱排气管的主要功能是为了满足增压输送系统在测试阶段的贮箱放气和在发射准备阶段的贮箱排气需求。排气管被破坏可能导致贮箱内的推进剂在封闭环境内聚集,在严重情况下会导致火箭爆炸。利用某运载型号在加注后出现了排气管波纹管破裂的故障现象,通过构建受力模型、进行仿真分析,验证了多因素变形对排气管破裂所产生的影响。仿真分析结果显示,在极限变形情况下,波纹管组件经受交变载荷,产生疲劳,发生破裂。最后,经过1：1地面模拟试验,验证了仿真分析的有效性,同时也为排气管在火箭飞行过程中受力的后续分析提供了技术支撑。     

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30cm离子推力器的热辐射影响，采用有限元分析的方法，首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟，在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后，进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响。仿真结果显示，推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述，羽流在真空舱内的扩散过程中几乎没有能量损失；30cm离子推力器工作时真空舱内大部分区域的气体压强在2×10^-3~6×10^-3 Pa；在溅射靶影响下，推力器加速栅和屏栅中心温度分别为352℃和440℃，边缘温度分别为342℃和411℃，屏栅和加速栅的间距缩小量由无溅射靶影响时的0.560mm增加到0.585mm；试验结果显示，加速栅和屏栅边缘温度分别为364℃和385℃，与仿真结果的比对误差均为6%，溅射靶后部羽流气体的温度测试值高于计算值约50℃，误差主要由于模拟中忽略了羽流粒子的能量沉积效应。     

氢氧发动机推力室化学反应流场计算

采用弱耦合点隐式方法的MacCormack格式对氢氧火箭发动机推力室化学反应粘性流场进行数值模拟.数值模拟时采用6种组分、8个反应有限速率的化学反应模型,湍流模型采用Baldwin-Lomax代数湍流模型.数值模拟得到了流场参数在燃烧室和喷管中的分布.结果分析表明,得到的数值模拟结果与理论分析一致,说明结果是可靠的.本文的工作为氢氧火箭发动机喷管设计提供了依据,并为进一步开展火箭发动机推力室有化学反应的两相流动的数值模拟打下了基础.     

细水雾喷头喷射压力影响灭火性能的实验

为了研究细水雾喷头在不同喷射压力情况下针对油盘火的灭火效果,采用正庚烷为火灾燃料,在4.6m×3.3m×4m(长×宽×高)的空间内,针对同一型号的细水雾喷头在不同喷射压力下进行了灭火实验,在实验过程中采用热电偶树和气体分析仪对火焰温度及火场氧浓度进行了测量,得到了不同喷射压力下细水雾灭火的影响规律,为细水雾灭火设计、检验标准制定及细水雾灭火产品的开发提供了相应的实验依据.     

考虑喷油润滑的附件机匣温度场分析

附件机匣作为航空发动机重要部件之一,其产热和散热的问题比较复杂.针对以往附件机匣相关研究只关注固体域的产热、散热分析,而对滑油散热作用不能充分考虑这一问题的现状,提出了基于流体仿真思想的稳态温度场分析方法.首先,通过分析附件机匣产热、散热问题的基本规律和特点,进一步采用k-ε湍流模型来模拟机匣内的情况,多相流模型模拟滑油,并且使用多参考坐标系模拟滑油在运动过程中的换热.最后,以某附件机匣作为具体应用案例,验证了方法的正确性和可行性,从而形成了一套行之有效的使用FLUENT软件对附件机匣进行稳态温度场仿真分析的模型和方法.研究的成果对于后续附件机匣的可靠性与寿命分析有重要支撑作用.      

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

沉积环境下气膜冷却效率的实验

为了研究燃气涡轮叶片表面污染物沉积对气膜冷却的影响,通过将熔融石蜡喷入到小型风洞中,来模拟真实涡轮中的污染物,用平板近似代替涡轮叶片,在高温主流和低温冷流掺混的情况下,观察不同孔径和粗糙度对实验件表面颗粒物沉积的影响,以及在石蜡沉积后气膜冷却效果的变化趋势。结果表明,相同实验条件下,随着孔径的增大,气膜冷却效率逐渐增大,孔径为10 mm时的冷却效率比5 mm时的高6%左右,同时,平板表面的石蜡沉积逐渐减少,厚度相差0.15~0.20 mm;随着平板表面粗糙度的增加,气膜冷却效率逐渐下降,而石蜡沉积逐渐增多;较石蜡颗粒沉积前,沉积后的气膜冷却效率有较大的下降,效率相差5%左右。      

基于有限体积法和SNBCK模型的红外辐射特性计算

耦合求解流场、组分浓度场、基于SNBCK模型的气体辐射传输/能量方程以求准确模拟飞行器排气系统气动热力及红外特性.窄带模型参数由HITEMP逐线计算数据库计算得到.通过CO₂4.3μm波段吸收率计算,圆柱炉膛辐射换热特性计算两个算例验证了所采用程序求解辐射传输/能量方程的准确性.最后计算了两种二元喷管的红外特性,结果表明大宽高比二元喷管地面和空中状态红外辐射特性差异巨大.     

超高速流动模拟及热化学反应模型对比研究

超高速流动是飞行器再入大气层时所面临的高速高温流动环境,膨胀管是少数几种能模拟超高速流动的地面设备之一。采用数值模拟方法对超高速试验进行辅助分析诊断,流动模拟时热化学反应模型的选择对流场特性影响较大,分别选择5组分、11组分热平衡及5组分热非平衡模型,对比研究3种不同热化学反应模型对双楔试验模型数值模拟结果的影响,以进一步评估超高速流动模拟时热化学反应模型的适用范围。结果表明,试验气流条件下5组分化学模型即可满足要求,加速气流条件则必须采取11组分化学模型,而对于流动中热非平衡效应显著时,热化学非平衡模型更为适用。     

基于仿真的小型数据中心气流组织研究

为了实现小型数据中心能在办公室环境中运行而降低运行成本这一实际需求,提出了蒸汽压缩制冷系统与服务器融合封闭的降噪与制冷的一体化设计方案。在关键部件——轴流风扇和蒸发器的仿真策略得到验证的基础上,建立了系统气流组织仿真模型以分析箱体内流动与换热特征,以方差和信息熵构建不均匀性评价指标以评估不同风扇排布方式对服务器温度场均匀性的影响,讨论了发热密度增大时的应对策略。结果表明,轴流风扇不均匀的动量驱动导致了蒸发器内不均匀的流动与换热,所设计的降噪制冷系统可以使服务器的排风温度控制在21.6~22.2℃,增加蒸发器的散热风扇可以整体上改善温度场均匀性,发热密度增大时增大服务器的通风量是降低排风温度的有效措施。      

真空条件下多孔平板发汗冷却试验研究

发汗冷却是解决高速飞行器关键部位热防护问题的有效途径。以不同材料的多孔平板为研究对象，以水为冷却剂，利用自行设计搭建的试验平台对多孔平板发汗冷却过程进行瞬态试验测量，得到了不同热流加热环境下不同材料多孔平板内外壁温度变化，并分析冷却剂对不同材料的冷却效果。结果表明:发汗冷却极大降低了多孔平板内外壁温度，起到了有效的主动热防护作用。对于镍、铜金属多孔平板，保持冷却剂水流量约3.5 g/s，在热流密度小于120 kW/m2的条件下，多孔平板内外壁温度稳定在30~50℃。对于陶瓷多孔平板，保持冷却剂水流量约0.32 g/s，在热流密度小于220 kW/m2的条件下，多孔平板内外壁温度基本稳定在30~40℃。在高热流密度315 kW/m2的条件下，对于镍、铜金属和陶瓷多孔平板，发汗冷却时平板内壁温度变化不大，外壁温度分别稳定在约260℃、110℃和130℃。外壁冷却剂处于完全汽化状态，且冷却剂汽化相变位置在多孔平板内部。若无发汗冷却，多孔平板内外壁温度快速升高，其平衡温度较有发汗冷却时大幅提高，进一步表明发汗冷却的巨大应用潜力。