月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.      

应用气动斜坡和燃气发生器的超燃燃烧室

为增强超声速燃烧过程中的燃料掺混,设计了一种被动式燃料掺混增强结构:气动斜坡/燃气发生器组合燃料喷注结构,并在直连式超燃试验台上对这种喷注结构进行了纹影、油流谱等冷试和热试试验.同时数值模拟了超声速流场中气动斜坡/燃气发生器组合结构的流动及燃烧特性.结果表明:气动斜坡/燃气发生器组合结构有助于燃料的掺混,掺混效率由单独气动斜坡喷注器情况下的60%提高到了75%;总压损失主要由壁面摩擦产生,气动斜坡和燃气发生器产生的总压损失相对较少;作为燃烧室点火器使用的燃气发生器起着点火和助燃的双重作用.      

水下弹体空化流动的数值模拟

采用均质流模型对水下弹体的空化流动进行了数值模拟,控制方程的求解采用有限体积法,对流项采用迎风通量差分格式,时间步的推进则采用了LU-SGS隐式方法.使用质量传输模型模拟汽-液之间的质量转换.为了更好的计算低速流动,在计算中对对流项进行了预处理,并对质量传输源项进行了点隐式处理.对绕圆柱钝头体空化流动进行了模拟,雷诺数Re＝136 000,计算得到了圆柱形钝头体在空化数σ＝0.1,0.2,0.3时的壁面压力系数,并与试验结果进行了对比,符合良好.在此基础上研究了弹体带尾迹的超空化现象,空化数σ＝0.2,0.1,0.06,在σ＝0.06下得到了水下弹体的超空化尾迹.      

㶲分析在协同吸气式火箭发动机中的应用

为了研究协同吸气式火箭发动机(SABRE)循环系统的损失分布规律以及性能特性,针对SABRE4发动机系统开展了?分析,选择具有代表性的飞行马赫数Ma=4作为主要工况,研究不同工作参数对系统?损失分布和?效率的影响,通过调节?损失分布以获得最大?效率。研究结果表明:发动机?损失主要集中在燃烧过程和燃气排出,对于给定飞行条件,耗氢量越小,发动机?效率越大;当主路氢流量固定,调节预燃室氧燃比,存在合适的氧燃比使得发动机?效率最大;在给定主路氢流量条件下,发动机?效率随着飞行马赫数增大呈先增大后减小,在Ma=4附近达到最大,最大?效率为64.6%,对应的?损失分别为燃烧?损失16.2%,燃气排出?损失13.8%。通过对系统的?分析研究,明确了发动机内部损失分布。     

性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响，对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供，总温为1231K，入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室，全局当量比恒定为0.8，采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ω SST模型来模拟湍流；离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程；部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用；煤油采用正癸烷(C10H22)作为替代燃料，其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好，表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析，可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区，上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘，下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3，上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构，下游反应区则逐渐缩小；预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动，进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流，而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流；燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%，燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N；然而，燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

煤油燃料超声速燃烧室火焰面模型应用探究

为了探究煤油燃料超燃流场是否满足火焰面特性,基于双支板超燃燃烧室开展试验与数值模拟研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K,燃料由支板分级喷注。根据燃烧室计算结果与火焰面模型判据可知:在微观上,绝大部分燃烧区的Karlovitz数不超过100,耗散涡不会对火焰结构产生显著影响,可近似满足火焰面要求;在宏观上,燃烧区的Damkohler数远高于局部熄火临界值,湍流强脉动导致的破碎火焰时均化具有层流火焰特性,雷诺时均N-S(RANS)方程结合层流火焰面计算与该特性是相符合的。试验中,不同上游当量比导致燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态,火焰面模型结合煤油23步反应机理可以准确描述两种燃烧状态的湍流燃烧特性,因此RANS结合火焰面模型在煤油燃料超声速燃烧室数值模拟方面具有一定的适用性和准确性。     

多凹腔燃烧室煤油非定常超声速燃烧流动过程研究

为探究多凹腔燃烧室的燃烧流动过程,采用非定常方法对液态煤油超声速燃烧特性进行了数值研究。计算结果发现,随着燃烧释热的进行,一道拟正激波被推到靠近隔离段入口处,最大压比达到3.77,燃烧达到稳态需要22ms;上游凹腔处煤油液滴运动轨迹表现出很强的非定常性,其运动方向与当地流动时刻的压力条件相匹配,上凹腔附近的液滴穿透深度明显大于下凹腔的,液滴个数也大于后者;出口总压恢复系数为47.09%,与实验值47.50%很接近,出口燃烧效率达到72.91%,体现了多凹腔燃烧室在保证燃烧性能较好时总压损失较低的优点;扩张型面上的凹腔质量交换律大于平直型面上的,表明型面扩张有利于增强凹腔内燃料与主流空气的质量交换;计算预测的燃烧室侧壁、上壁、下壁压力均与实验值吻合得较好。     

双支板超燃燃烧室燃烧状态的试验研究

通过直连试验,对双支板超燃燃烧室进行了煤油分级喷注研究。在试验中发现,这种燃烧室在来流及供油条件完全相同的条件下,出现了两种稳定的燃烧状态:如果上游支板喷注的燃料在当地燃烧,那么称之为上游燃烧状态;如果上游支板喷注的燃料没有在当地燃烧而是与下游喷注的燃料一起在下游燃烧,那么称之为下游燃烧状态。针对这一现象,本文从当量比分配的角度,对这一现象进行了试验研究。在总当量比为1.0时,经过对试验结果的分析,选取了一个特定位置,称为特征点。通过动态试验获得了特征点的压力,建立了它和上游支板喷注的当量比之间的关系,并利用这一关系描述了两种燃烧状态出现的当量比条件。一维冲量分析法的结果表明,上游燃烧状态的燃烧室内推力比下游燃烧状态高73N。     

超声速横向气流中喷雾的数值模拟

对超声速横向气流中的喷雾过程进行了数值模拟,采用二维N-S方程计算气相,应用一次雾化模型和二次雾化模型模拟了喷雾雾化过程,并与实验测量结果进行了对比。研究了湍流度和附面层厚度对液雾穿透深度的影响,发现湍流度和附面层厚度并不是主要的影响因素,认为雾化模型是影响液雾穿透深度的关键因素。     

液体火箭发动机喷管内加质流场的数值模拟

本文对将液体火箭发动机涡轮排气引入喷管所形成的加质流场进行数值模拟，求解多种气体混合流动的三维Ｎ－Ｓ方程，预示了加质发动机的性质，结果表明：将涡轮排气引入喷管不仅可以用于壁面的冷却，而且还有利于发动机性能的提高。