Transient simulation of regression rate on thrust regulation process in hybrid rocket motor

The main goal of this paper is to study the characteristics of regression rate of solid grain during thrust regulation process. For this purpose, an unsteady numerical model of regression rate is established. Gas–solid coupling is considered between the solid grain surface and combustion gas.Dynamic mesh is used to simulate the regression process of the solid fuel surface. Based on this model, numerical simulations on a H2O2/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene) hybrid motor have been performed in the flow control process. The simulation results show that under the step change of the oxidizer mass flow rate condition, the regression rate cannot reach a stable value instantly because the flow field requires a short time period to adjust. The regression rate increases with the linear gain of oxidizer mass flow rate, and has a higher slope than the relative inlet function of oxidizer flow rate. A shorter regulation time can cause a higher regression rate during regulation process. The results also show that transient calculation can better simulate the instantaneous regression rate in the operation process.     

吊挂系统对波瓣混合排气系统气动热力性能影响

为了明确短舱中吊挂系统的堵塞效应对波瓣混合排气系统气动热力性能的影响,采用数值模拟的方法对包含吊挂的混合排气系统进行了定量研究。研究结果表明,受吊挂系统的影响,在波瓣混合排气系统混合段内,存在着一大尺度的回流区,其作用范围随吊挂长度的增加而增加。在性能参数方面,与未考虑吊挂系统时相比,考虑吊挂之后,虽然混合排气系统出口处热混合效率以及推力系数下降很小,最大降幅仅分别为0.017和0.01,但总压恢复系数却显著下降,最大降幅达到了0.03。此外,随着吊挂系统长度的变化,排气系统出口处的热混合效率、总压恢复系数以及推力系数变化幅度小于0.01,变化很小。     

基于推阻平衡的喷管型面截短方法研究及试验验证

出于减小喷管壁面摩擦损失的考虑以及发动机的整体布局的受制,传统推力喷管设计方法得到的理想喷管通常需要进行适当截短。合理的截短方法有助于保持喷管性能,因此,通过壁面单元受力分析并考虑单元体内的推力与阻力关系,提出了一种推阻平衡的喷管截短设计方法。使用上述方法对一个三次曲线型面的三维原始完全膨胀喷管进行截短,使喷管长度减小25%,重量减小34%。通过风洞试验与数值模拟结果对比发现,截短后的喷管推力系数提高1.5%,升力也得到有效提高,验证了此种截短方法的正确性。截短后喷管处于欠膨胀状态,与理论分析得到的最大静推力状态结果相符。     

合成双射流矢量特性影响因素分析

为了拓展合成双射流作动器在无人机推力矢量控制方面的应用,需要对合成双射流作动器结构进行优化,提高其矢量性能。通过分析合成双射流的特性,引入了以射流冲程为基础的无量纲距离,建立了射流矢量角的计算方法,并以此为评价指标,采用单因素试验法分析了合成双射流作动器无量纲结构参数对射流矢量角的影响机制和规律。利用极差分析法获得了各参数对射流矢量角影响的显著程度:出口宽度出口长度出口间距出口深度腔体高度,提出了作动器结构参数设计的原则。     

次流通道对双喉道气动矢量喷管的性能影响研究

为了进一步了解次流通道对双喉道气动矢量喷管(Dual Throat Nozzle,DTN)气动矢量性能的影响,基于二维DTN喷管构型进行了详细的数值模拟研究。结果表明:收扩的次流通道相对于平直的次流通道不会改善DTN喷管的推力矢量性能;随着次流流量增加,DTN的推力矢量角存在一个最大值,超过该值各推力矢量性能均会降低;次流通道宽度对DTN喷管推力矢量性能影响显著:(1)次流宽度不影响所能达到的最大推力矢量角;(2)小的次流宽度在进口总压较高的条件下具有更高的推力矢量角;(3)增大次流宽度能降低次流总压,但达到的矢量角会有所减小。     

翼型舵面偏转非定常流动数值模拟

针对NACA0012翼型舵面偏转问题,数值模拟了不同参数对翼型气动特性的影响。基于非结构动网格技术,采用ALE有限体积描述下的二维可压缩非定常N-S方程,计算通量采用Vanleer格式、时空二阶格式,利用Venkatakrishnan限制器抑制数值振荡。非定常计算结果表明,NACA0012翼型绕1/4弦点作周期性俯仰振动的升力系数和俯仰力矩系数结果与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性;在翼型舵面表面有分离区产生,升力系数和俯仰力矩系数形成滞回环,在亚声速情况下,滞回环幅值较小,进入超声速阶段以后,幅值增大,随着翼型间缝隙宽度逐渐增加,翼型升力系数和俯仰力矩系数与无缝翼型相比逐渐降低。     

某型机风挡加温系统控制规律的数值模拟

风挡电加温系统的控制规律是系统设计的重要部分。采用有限容积法模拟某型机风挡加温系统的控制规律,计算飞行包线下的温度和电加热功率的瞬时变化情况,分析在不同的天气条件下温度和加热功率瞬态变化的差异,得到实际情况下系统的工作规律。结果表明:由于玻璃具有热惯性,系统加温达到稳定状态后,基本上在较低的功率水平工作;外表面和导热膜的温度受外界环境影响较大,内表面的温度在加热过程中总体呈现增加趋势;设计时控制规律还可不断优化,以使系统具有更好的加热效率。该研究结果可为风挡加温系统的设计提供参考。     

分开排气系统的1种设计方法及其性能研究

针对大涵道比涡扇发动机,开展了其排气系统气动型面参数化设计方法和气动性能的研究。通过控制外涵、内涵喷管流道的中心线形状和流通面积,设计了外涵、内涵分开排气喷管气动型面。采用数值模拟的方法模拟了喷管的流场结构,并分析了外涵落压比和自由流马赫数对喷管推力系数的影响。在自由流马赫数为0.050时,推力系数随外涵落压比的增大而增大,在自由流马赫数为0.785时,推力系数随外涵落压比的增大而减小;在外涵落压比相同时,自由流马赫数越大,核心机舱外罩b段与尾锥b段所受轴向力在喷管总推力中所占比例越大,对喷管推力系数的影响也增大。     

二维有限长度柔性壁面上T-S波演化的数值研究

受自然界鸟类羽毛的柔性特征启发,利用数值模拟的方式开展了柔性壁面对亚声速边界层中T-S波演化的影响研究。刚性壁面上的数值结果与线性理论吻合得很好,验证了数值方法的可靠性。在此基础上,将部分刚性壁面替换为柔性壁面,结果表明,柔性壁面可以抑制T-S波在空间上的增长,从而推迟边界层流动转捩。壁面的变形不只跟随T-S波的波形,还因为柔性段与刚性段相接的前缘和后缘引起与扰动源频率相同的更大尺度的壁面波动,壁面的实际变形由这几种波叠加而成。开展的参数研究结果表明,增大表面的质量密度对于柔性壁面衰减扰动的效果几乎没有影响;增大表面张力和增加底部支撑的弹性系数可以增加壁面的刚性,减小壁面变形的幅度;增加阻尼可以抑制柔性段前后缘产生的大尺度壁面波动的传播,而对跟随T-S波的变形影响不大。总体上,柔性壁面的变形程度越大,其扰动的抑制效果越强。      

高超声速变外形飞行器建模与有限时间控制

针对高超声速变外形飞行器变形带来的参数摄动大、变形过程建模难、外界干扰复杂等大不确定问题,研究了一类可变后掠飞行器建模与姿态控制问题,设计了一种有限时间控制方案。针对变外形飞行器建立了带有变形量的面向姿态控制的三自由度模型,该模型能够反映出变外形飞行器的内在影响。分析了变外形飞行器在典型状态下的气动特征,并给出了连续变形关键气动数据可行处理方案。针对可连续变形的飞行器设计了一套有限时间控制方案,并证明了系统稳定性。进一步考虑控制律中用到的指令微分项,设计了有限时间指令收敛滤波器。利用扩张状态观测器,估计不易测量状态和“综合扰动”。以考虑复杂干扰下的高超声速变外形飞行器为对象进行仿真,结果表明:所设计的控制方案可解决不同变形速率下、存在复合干扰的飞行器姿态控制问题。