运载火箭推进剂复杂流动传热问题数值模拟中的模型简化方法

在运载火箭改进优化或新型运载火箭设计过程中,会遇到各种复杂的流动与传热问题。按照真实产品和物理过程直接建立的数值计算模型过于复杂,不同尺度的结构、流动与传热、长时间的飞行过程相互耦合,出现计算时间太长(数年)、收敛困难、程序调试困难等问题。针对初始条件复杂、飞行过程复杂、边界条件复杂3类具体问题,总结了3种相应的模型简化方法,分别是工程经验法、极限参数法、低维近似法,为推进剂复杂流动与传热的数值模拟提供参考。     

国内外先进推进技术发展综述

航天运输领域发展的核心目标包括提高运载能力、降低发射成本及减少发射准备时间等。相对于传统的化学推进技术,先进推进技术采用新能源或新机理,旨在从根本上满足未来对有效载荷、发射成本和发射周期的要求。对国内外组合动力装置、核聚变动力推进、离子推进、激光推进、核子脉冲推进、太阳帆推进、磁场帆推进、布萨德喷气推进、反物质推进等先进推进技术的研究进展进行综述和可行性分析,并给出了发展启示。     

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

液体火箭金属膜盒式蓄压器的动力学模型

蓄压器是抑制液体火箭POGO振动的重要装置,通过推导建立了更具普适性的蓄压器精细化动力学模型,给出了膜盒刚度、动质量以及膜盒组件数量对蓄压实际柔度参数、惯性系数的修正方法,该模型提高了输送系统液路频率的计算精度。针对带有充气管路的蓄压器结构形式,引入了充气管路的分布参数动力学模型。研究发现较长的充气管路不仅会对蓄压器产生一定的附加容积效应,同时会形成新的低频振动,影响蓄压器吸收压力脉动的能力。     

推力室中压力剧烈振荡区域的燃烧特性分析

在不施加任何扰动的情况下,对液氧/煤油双组元液体火箭发动机模型燃烧室进行三维非稳态数值模拟,获得了其中的压力自激振荡现象。基于定义的能够辨识定容和定压燃烧特征的第三邓克尔数分析了压力剧烈振荡区域的燃烧特性。结果表明,在压力剧烈振荡区域内,第三邓克尔数取值很大,即发生了准定容燃烧或介于定容和定压之间的燃烧过程。可见尽管液体火箭发动机燃烧室整体表现为定压燃烧特性,但在头部附近区域出现了局部具有非定压特性的燃烧过程,其产生的压力膨胀波来不及迅速传播而使当地的压力迅速升高,形成了定容弹效应,从而导致了燃烧不稳定性的发生。该压力峰的传播及其与室壁相互作用在燃烧室中产生声学不稳定性,与研究燃烧不稳定性的定容弹试验机理相同。