基于流固耦合的激波/边界层干扰作用下壁板颤振特性

为了解激波/边界层干扰作用下壁板气动弹性及其对流动分离的影响，采用自主开发的双向流固耦合求解器，对不同激波冲击位置下壁板的振动响应和流动特性进行了数值模拟研究。壁板几何非线性运动方程采用有限差分法求解，基于有限体积法求解Navier-Stokes方程组，对流通量采用MUSCL和AUSMPW+格式离散，双向流固耦合采用交错迭代算法。研究结果表明：激波/边界层干扰作用下壁板振动位移先增大后减小，经若干振荡周期后达到稳定颤振状态，呈现二阶振动模态，壁板变形相对于激波冲击位置呈现非对称性，壁板前部分的振幅始终小于壁板后部分；激波冲击位置可显著改变壁板的颤振振幅、频率及分离区长度，当激波冲击位置靠近壁板两端时，壁板振动最终收敛达到静稳定状态；壁板振动响应与流场特征不随激波冲击位置的改变而单调变化，对于激波冲击位置x/a=0.35工况，壁板颤振可有效抑制激波/边界层干扰流动分离。     

双脉冲发动机点火过程三维数值模拟

以喷射棒式双脉冲发动机燃烧室、级间隔离装置和喷管一体化为研究对象,采用数值仿真技术对Ⅱ脉冲点火过程三维流场特性进行分析研究。计算结果表明,点火初期燃气压力波峰超前于火焰峰到达级间隔离装置,并以压强冲击波形式传播,Ⅱ脉冲燃烧室相对高压区位置不断发生改变;级间孔打开过程对药柱末端压强影响较大,但对Ⅱ脉冲燃烧室压强整体上升过程影响较小;级间孔打开后,燃气经级间孔加速后形成高度欠膨胀射流,并在Ⅰ脉冲燃烧室内形成非对称带状低压区;级间孔分布的非对称性,导致压强及温度在发动机燃烧室中呈现显著的三维分布特性;高温区出现在隔板附近,而在装药前端、装药末端及外围级间孔轴线附近出现低温区。     

基于耦合传热的双脉冲发动机热防护层受热分析

针对双脉冲软隔层通道孔径对双脉冲发动机I脉冲燃烧室热防护层热环境的影响开展了数值仿真研究。对雷诺平均Navier-Strokes方程采用了双时间步LU-SGS迭代方法、AUSMPW迎风格式以及适合模拟分离流动的改进剪切应力输运(SST)湍流模型进行求解,通过保证流固耦合界面上的热流密度连续来实现耦合传热仿真。采用算例验证了算法及程序的精度和可信度。计算结果表明: I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数随软隔层通道孔径的增大而减小,最大对流换热系数平均减幅达20.3%,再附着点位置和对流换热系数最大值所在位置均向上游移动,分别平均移动24.2%和23.1%;I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数先增大后减小,且回流区内的对流换热系数相对较小,并在再附着点上游达到最大值。     

级间通道构型对双脉冲发动机燃烧室局部受热的影响

为研究级间通道构型对双脉冲发动机一脉冲燃烧室气流再附着点的位置和对流换热系数的影响,本文采用基于格心的迎风型有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,空间离散采用AUSM-PW矢通量分裂格式,时间推进采用3阶三步TVD型Runge-Kutta显式方法,湍流模型采用适合模拟分离流动的改进SST湍流模型,并通过经验公式计算再附着点处的对流换热系数。结果表明:亚声速后台阶流动和固体火箭发动机燃烧室内流动的最大绝对误差分别为8.9%和5.8%;二脉冲工作的不同时刻,当二脉冲装药内孔直径大于级间通道直径时,级间孔直径每增大9.1%,气流再附着点位置平均减小28.2%,对流换热系数平均下降9.6%;其它条件相同时,级间孔宽度增加对气流再附着点位置和对流换热的影响比较小;级间孔角度变大使得气流再附着点的位置和对流换热系数分别平均下降3.4%和3.1%。     

基于SST湍流模型的模拟SRM内流场数值仿真

为准确模拟固体火箭发动机燃烧室内流场，采用基于格心的迎风型有限体积法求解定常雷诺平均Navier-Stokes方程，在空间离散方法上，采用AUSM-PW矢通量分裂格式，时间推进采用三阶三步TVD型Runge-Kutta显式方法，将Ment-er F R提出的SST( shear-stress-transport)湍流模型及其改进形式用于燃烧室湍流流场的数值模拟，并将计算结果与Wilcox的和Spalart-Allmaras湍流模型进行了对比。结果表明， Menter F R的SST湍流模型计算的燃烧室内的径向速度分布与实验值吻合得最好，最大误差约为5.1%；计算的燃烧室内湍流强度分布与实验的规律一致，而其余湍流模型计算的结果与实验值有很大差异。     

隔层式双脉冲发动机尾部点火过程流固耦合特性研究

为研究隔层式双脉冲发动机Ⅰ脉冲尾部点火过程对隔层和Ⅱ脉冲药柱结构完整性的影响，以雷诺时均Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和固体推进剂热传导方程为基础，基于耦合传热方法建立推进剂点火与燃烧加质模型，同时结合流固耦合方法，详细分析了点火过程中燃气的非定常流动特性以及燃气冲击作用下隔层和Ⅱ脉冲药柱结构的力学特性。计算结果表明，尾部点火药气体喷射入药柱后端内孔和翼槽内形成回流区，导致翼槽侧表面首先点燃，同时迅速产生了二次着火点，加快了火焰传播过程，提高了升压速率；点火过程中燃烧室内初始低温气体被挤压至燃烧室头部，并与高温燃气持续相互作用，引起燃烧室头部压力剧烈振荡；点火冲击过程中，隔层表面压力差距较大，隔层外表面上等效应力最大值为3.7MPa，最大总变形量达10.1mm。     

基于流固耦合的斜激波冲击作用下曲壁板气动弹性分析

采用自主发展的双向流固耦合求解器,研究了斜激波冲击作用下曲壁板的气动弹性响应特性。曲壁板的几何非线性大变形运动方程采用有限差分法求解,流体控制方程基于有限体积法求解,双向流固耦合采用交错迭代算法。计算结果表明:当动压小于临界颤振动压时,曲壁板表现出静平衡状态,且随着动压的增大,壁板变形的非对称性越明显。当动压大于临界颤振动压时,壁板振动位移先增大后减小,最终达到稳定颤振状态,且该极限环颤振并不关于初始位置正负对称的。同时,随着动压的增大,壁板颤振的正向峰谷值、负向峰谷值和振幅均逐渐增大,颤振频率则逐渐减小。壁板振动响应规律并不随着壁板弯曲高度的改变而单调递增或递减,较小的弯曲高度可以降低壁板颤振临界动压值,但是当弯曲高度进一步增大后,由于气动非线性特性增强,准周期无规则运动状态被激发了出来,临界颤振动压迅速升高。     

NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物动态行为研究

针对NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物的动态行为，在1,2,3MPa的N2环境中，对NEPE推进剂中铝团聚物在燃烧表面和脱离燃面后的动态燃烧过程进行了研究，提出了燃面与铝颗粒联合运动的简化理论模型。结果表明，铝颗粒的团聚分为堆积、聚集和团聚三个过程，铝团聚物在燃烧表面以及脱离燃面后均可能发生二次团聚，铝团聚物的二次团聚过程通常会形成大尺寸的铝团聚物。通过燃面与铝颗粒协同运动的简化理论模型，认为铝团聚的团聚时间受到压强、铝颗粒的体积分数和半径的影响。同尺寸铝团聚物的团聚时间随着压强的增大而较小，且在高压环境中的影响程度降低，与理论模型一致。同时压强会影响铝团聚物脱离燃面后的随流运动速率，同一压强条件下，直径越小的初始团聚物随流运动速率越快，直径越大的初始团聚物随流运动速率越慢。     

基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟

为研究双脉冲固体火箭发动机Ⅱ脉冲点火瞬态过程,发展一套多物理场耦合求解器。流体控制方程基于有限体积法求解,时间推进采用双时间步LU-SGS(Lower Upper Symmetric Guass Seidel)方法;固体推进剂表面温度基于耦合传热方法计算;结构动力学运动方程基于有限元方法离散,采用经典的Newmark格式进行时间推进,流固耦合采用松耦合算法,并通过算例验证求解器的可靠性。计算结果表明:该求解器能够数值模拟Ⅱ脉冲启动过程中的点火药气体冲击、燃气非定常流动及金属膜片机械响应过程,获得金属膜片的破裂时间和压强;且随着点火质量流率增加,推进剂装药首次点燃时间和金属膜片破裂时间变短,膜片破裂压强降低;金属膜片破裂时间和压强不仅与作用在其表面的压强载荷大小相关,而且与压强载荷加载的过程相关;金属膜片厚度越薄,膜片破裂时间越短,膜片轴向位移越大,膜片破裂压强越低。     

基于热解过程的EPDM变热物性数值传热

针对三元乙丙橡胶(EPDM)类绝热材料热载荷作用下的热解炭化过程,基于热解动力学和多孔介质传质传热理论,建立了芳纶/EPDM绝热材料热物性参数随温度和时间变化的变热物性模型,并通过与实验的对比,验证了模型的准确性与可靠性。随后对热载荷作用下的烧蚀热响应开展了数值计算,结果表明:热载荷作用初期,材料表面升温迅速,随着能量不断传递,温度推进速率明显降低,炭化层厚度增长减慢,部分材料仍为原始状态；温度对热解反应速率的影响呈指数级,距表面越近反应速率越快,反之则慢。所提出的变热物性模型对绝热材料的烧蚀研究具有一定的参考价值。