高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型，建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM)，空间离散采用二阶迎风TVD格式，对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算，将数值结果与试验数据进行广泛对比，验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明，火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值，随着飞行高度上升，辐射热流逐渐降低，火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势，并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

导流槽构型对火箭起飞时流场和声场的影响

为了研究四喷管运载火箭起飞时火箭周围噪声环境问题,建立燃气/空气双组分的可压缩流动模型,采用2阶Roe格式、SAS(scale-adaptive simulation)湍流模型和声学类比积分法Ffowcs-Williams Hawkings(FW-H)求解三维Navier-Stokes方程。以单机火箭的噪声问题为对象开展数值模拟,并将噪声数值计算结果与试验数据对比,误差在3dB以内(相对误差小于1.6%),验证预测噪声方法的有效性,进而研究四喷管运载火箭起飞阶段采用不同导流槽构型对箭体舱段区域噪声环境的影响,结果表明:在相同噪声接收点处,单侧导流槽对应的总声压级比双侧导流槽大,两者的总声压级(OASPL)之差最大为10.7dB。另外,当采用单侧导流槽时,沿周向接收点的噪声总声压相对单侧导流槽中心截面呈对称分布,而且沿导流出口方向逐渐增大。所建立的噪声数值方法为大推力捆绑运载火箭舱段的噪声环境预测及其控制提供一定参考。     

计算流体动力学在航天飞行器射流逆流中的应用

超声速射流逆流通常用于导弹、航天飞机、卫星和飞船等飞行器运动状态的控制。欠膨胀超声速射流逆流的流场包含有多激波（如弓形激波和马赫盘）、接触间断和剪切层，其结构非常复杂。本文采用激波高分辨率有限差分（ＴＶＤ）格式，对恒定自由流条件，各种不同射流出出口压比的超声速轴对称逆射流进行了数值模拟，且对各种条件下的物理现象给予了分析。计算的马赫盘和弓形激波位置与实验值相吻合，为此类流动问题提供了一种有效的预测     

燃气自由射流的正格式数值模拟

采用二阶正格式方法对复杂燃气自由射流进行了数值模拟。将二维守恒方程的正格式方法发展到轴对称Euler方程组的求解,并对不同欠膨胀压力比下的燃气射流进行了数值计算。计算结果表明,该方法能够较好捕捉到波胞、滑移线、射流边界以及三波点等复杂射流流场波系结构,与实验照片反映的流动特征及高精度、高分辨率的三阶间断有限元方法的计算结果吻合较好,马赫盘位置与理论预估值和实验测量结果误差较小。证明该方法对激波具有较强的捕捉能力,为此类流动的数值研究提供了一种新手段。     

火箭燃气喷流的数值和实验研究

 通过数值计算和实验，研究了２１和９火箭发动机燃气喷流流场。数值计算采用激波高分辨率、二阶精度ＴＶＤ格式，得到包括射流边界、桶形激波、反射激波、Ｍａｃｈ盘和滑移线的清晰的流谱。实验测试应用Ｆ－Ｐ激光干涉仪和自动测压系统，得到流场Ｆ－Ｐ干涉照片和压强分布。计算结果与实验结果符合较好     

航空机电作动器神经网络快速终端滑模控制

目前机电作动器由于具有干净、维护方便等优点，越来越受到航空业的青睐。航空机电作动器的特点是控制精度、稳定性和响应速度要求高，针对以上特点，提出了一种基于多层神经网络的快速终端滑模控制策略。为了提高航空作动器响应速度和跟踪精度，设计了快速终端滑模控制策略，不仅可以加快系统响应而且可以在无扰动情况下实现系统的有限时间稳定。针对系统参数不确定性和外部扰动，设计多层神经网络进行估计并通过前馈方法加以补偿。针对神经网络的重构误差，设计了非线性鲁棒项加以克服。利用李亚普洛夫稳定性定理证明了控制系统在有扰动情况下可以实现有界稳定。实验结果表明：所设计的控制器具有良好的参数自适应和抗干扰能力，同时具有更高的跟踪精度和更快的响应速度。     

新型同心筒自力发射热环境优化设计

针对新型路基同心筒自力发射热环境评估与优化设计问题,依托弹性变形和域动分层结合的动网格技术,求解了二维轴对称N-S方程,分析了"中段导流"同心筒动态热环境特性,确定了热环境评价指标;通过建立以优化拉丁超立方实验设计和四阶响应面为理论基础的近似数学模型,解决了CFD自动建模困难、直接寻优计算量大的难点;利用多岛遗传和梯度优化算法搭建组合优化策略平台,克服了流场在不同热结构条件下的强非线性问题,并构建了支持近似数学模型的热环境优化构架。对比数值结果表明,倒吸进入内筒的低温气体有力改善了同心筒热环境;建立的近似数学模型精度较高,满足工程需求;优化后,热环境特性发生良性变化,导弹总体热环境得到显著改善。     

矢通量分裂法在喷管超声速喷流计算中的应用

研究了一种适用于喷管超声速喷流场的数值模拟方法。采用矢通量分裂法对喷管超声速无粘喷流场进行了数值模拟。将矢通量分裂法应用到轴对称Euler方程,并对发动机喷管尾部超声速射流进行了数值计算。计算结果与实验纹影图所反映的流动特性相吻合,与其他高精度数值格式的计算结果相比,矢通量分裂法的计算结果在轴线反射点附近具有很高分辨率,表明该方法对激波具有较好的间断捕捉能力,不会产生伪振荡或抹平现象。     

火箭垂直发射燃气流场的数值模拟

数值模拟了火箭垂直发射燃气流场的非定常过程,在计算中采用了二阶精度的ＭＵＳＣＬ格式,在引入单调性限制条件和一定的耗散机制后,该方法适应于Ｅｕｌｅｒ坐标系下的计算。计算结果表明,该方法得到的流场激波结构十分清晰,计算结果和实验规律相一致。     

运载器式潜射导弹水面分离运动特性

基于分数容积障碍法(FAVOUR)、不可压缩Navier Stokes方程、RNG  k ε 湍流模型和VOF函数,建立了自由液面模型并与六自由度运动方程联合求解了运载器式潜射导弹的水面分离运动。通过数值计算结果与实验值对比，验证了计算模型的精度和有效性，进而对不同海况条件以及出水角度下潜射导弹的水面分离运动特性进行了对比研究。结果表明，各工况下运载器与导弹的质心位置、姿态角和轴向速度均处于稳定和发射安全允许范围内。但随着浪高的增加，导弹姿态角散布范围也明显增大。在5级海况下，运载器与导弹俯仰角的峰值达到22°。此外，相同海况下，若控制运载器以10°倾角出水，导弹分离后最终可以获得接近垂直的姿态。本文的数值分析方法能有效地用于预测运载器式潜射导弹水面分离过程。