固体火箭发动机尾喷焰复燃流场计算

为解决高温、高速、含化学反应的固体火箭发动机复燃流场计算问题,从固体火箭发     

固体火箭点火超压形成机理与影响因子研究

为研究固体火箭点火超压的形成机理和影响因子,以Ariane 5火箭固体助推器1/35缩比模型为研究对象,〖JP+1〗基于可压缩气体三维Navier-Stokes方程建立固体火箭尾焰流场的数学模型。同时,使用有限速率/涡耗散模型表征尾焰复燃反应,采用有限体积法求解火箭尾焰流场控制方程,得到箭体尾部近场的点火超压幅值与分布情况。与试验数据比较,数值结果较好的反映了点火超压的过程特性。进而,采用该数学模型和求解方法,研究了点火超压的影响因子。计算结果表明,尾焰复燃反应对点火超压的影响较小,与无复燃反应的计算结果比较,点火超压的峰值相对变化幅度不大于1.85%,点火超压的波形与分布特性的变化可以忽略;建压速率越快,点火超压峰值越大,且呈非线性比例关系增长;喷管膨胀比主要影响点火超压的波形,对其峰值影响较小。     

液体火箭燃烧尾焰冲击干扰效应数值研究

火箭发射时其燃烧尾焰的冲击干扰效应对发射稳定性和发射架、导流槽等地面设施有重要影响。文章采用压力隐式算子分裂算法,通过求解Navier-Stokes方程,对氢氧液体火箭发动机燃烧室内燃烧过程与尾焰流场进行了一体化数值计算,得到了火箭发射后尾焰与地面撞击产生的冲击流场。结果表明:尾焰流场计算模型、方法与结果合理;尾焰冲击干扰效应会大幅度提高地面附近的压力和温度;火箭尾焰撞击地面后,高温区出现在离地面一定距离的高温层内,此时地面附近为低速区;尾焰对其正下面的地面区域产生冲击最大,主要干扰区域集中于半径为15 m的圆形区域。     

复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响

为了研究垂直起降液体火箭在返回阶段发动机反向喷流及复燃对箭体着陆支腿和底部热环境的影响,建立了尾焰复燃、流场及光谱辐射计算模型。在国内率先对垂直起降液体火箭在返回阶段的箭体底部热环境进行了数值计算,流场计算采用商业软件,复燃反应使用有限速率化学反应模型;采用HITRAN数据库获得喷流气体组分的光谱吸收系数、正反光线踪迹法求解辐射传递方程。利用文献实验结果,对计算进行了验证并考察了复燃对底部热环境的影响。结果表明:复燃反应对包括箭体底面、侧壁面及着陆支腿的对流和辐射热流密度均会明显升高,最高可达80%以上。因此,研究成果适用于液体火箭返回阶段底部精细化热设计,且在设计过程中有必要考虑复燃的影响。     

液氢/液氧火箭发动机尾焰流场特性仿真研究

为研究液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流流动特点,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型、液氢/液氧单步化学反应的N-S方程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,运用PISO算法对液氢/液氧火箭发动机在地面发射阶段的燃烧尾焰射流流场进行了一体化仿真计算,得到了液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流近场激波系结构,并与理论分析结果进行对比,证明了算法的有效性和正确性。分析了燃烧尾焰压力场的动态形成过程,捕捉到尾焰半球形冲击波的发展过程,并认为冲击波为正激波且进行匀速传播。获得了尾焰流场各项参数的分布情况,为开展燃烧尾焰射流的辐射计算提供数据基础。     

火箭发动机有遮挡情况的尾焰红外辐射计算

火箭发动机工作过程中的尾焰会产生强烈的红外辐射,对其结构及载荷有加热的效果,同时一些结构成为了遮挡物体,会影响辐射的传输。为了研究复杂的有遮挡状况下的红外辐射传输,采用反向蒙特卡洛方法,编写气体红外辐射计算程序。计算并分析标准等温流场对其表面的辐射强度,与教材算例对比,验证了红外辐射算法的有效性和正确性。针对某尾焰复燃流场,分别计算并分析尾焰流场有无遮挡两种情况下的气体红外辐射强度。并比较了遮挡物在不同形状、尺寸、位置下产生的影响。研究表明:尾焰的辐射会对发动机结构产生热影响;增加遮挡后,被遮挡区域的辐射强度数值明显减小;遮挡的形状、尺寸及位置都会对其效果产生影响。     

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

运用离散颗粒模型对固体火箭发动机及尾焰两相流进行了一体化仿真,得出了各燃气组分和Al2O3颗粒的流场参数分布.通过建立固体火箭尾焰红外辐射模型,计算出了二维轴对称尾焰的光谱辐射亮度.研究表明,颗粒辐射起着主导性作用,颗粒尺寸越小,在4.3 μm波长处气相辐射作用越明显;燃烧室内燃面颗粒速度越大,尾焰辐射越弱;颗粒尺寸越大,颗粒辐射越强,但随燃面颗粒速度增大,辐射降低越快.所得结论与相关文献数据一致,表明计算模型和方法可行.     

基于冰筒结构的固体火箭发动机热试车用尾焰处理新技术

针对固体火箭发动机尾焰高温(总温超过3500℃)、高污染(氧化铝颗粒和氯化氢气体等)的问题,基于水冷壁、水喷淋等水处理系统的有效性,提出了一种采用具有更多冷能的水的固态形态——冰,对地面热试车的固体火箭发动机尾焰进行冷却降温与污染物沉降的新型处理方法。对冰筒装置内发动机尾焰与冰壁面间的流动换热过程开展了理论分析,并针对XXΦ127及XX500两种规模的固体火箭发动机开展了试车实验。结果表明,发动机出口尾焰在冰筒装置内实现了大幅度降温,冰筒出口气体温度低于100℃,氯化氢气体去除率大于97%,速度低于50 m/s、场外噪音小于85 dB。试验结果成功验证了新型冰筒处理技术的可行性和有效性,能够快速实现固体火箭发动机尾焰降温、降速、降噪和降污染的“四降”目的。     

多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性可视化研究

为研究高空多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性的可视化计算,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型的三维N-S方程描述尾焰流动过程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,采用PISO算法对多喷管动力系统尾焰流动过程进行求解,得到了尾焰流场的各项参数分布.在此基础上,运用气体辐射传输方程和SLG模型对不同方向观测面上接收到的尾焰辐射照度进行计算,得到尾焰在不同方向上的辐射特性分布,进而实现尾焰辐射特性的可视化计算.计算结果表明:高空助推器尾焰的辐射特性要明显强于芯级,其中喷管出口处尾焰的辐射特性最强,最容易被发现和识别;尾焰辐射特性的可视化计算可以有效捕捉到尾焰流场的结构,从而为尾焰的红外追踪与预警研究奠定基础.     

固体火箭发动机喷流流场数值仿真

采用The Diagonalized Upwind Navier-Stokes（DUNS）程序对两种火箭发动机的喷管-尾喷焰进行了一体化数值仿真。DUNS程序采用对角化ADI算法对雷诺平均N-S方程进行了求解，求解过程采用三阶精度TVD格式，q-ω两方程湍流模型。首先对文献中典型喷管的喷流流场进行了数值模拟，与文献结果进行了对比，然后针对某型号固体导弹的喷管一尾喷焰在不同飞行高度和不同飞行速度进行了数值模拟，为对该型号导弹的尾喷焰开展红外辐射研究打下了基础。     

空气涡轮火箭发动机内外涵气流掺混研究

通过无化学反应、均匀进气条件下肼单组元空气涡轮火箭发动机混流燃烧室内流场的数值计算,得到了流向涡与正交涡系产生、衰减演变过程及其对内外涵气流掺混效率的影响规律。结果表明,大尺度阵列二次环流诱导形成的流向涡对内外涵气流掺混起主导作用,大波瓣穿透率的斜切波瓣混流器的综合性能较优。结合热试车结果,分析了包括波瓣混流器在内的两类掺混方案的强化掺混效率。分析表明,非均匀进气条件对小尺寸空气涡轮火箭发动机掺混燃烧效率影响很大。     

轨控发动机真空流场计算

拦截弹轨控发动机在真空中的流场可为其设计提供重要的理论依据，同时其喷焰红外辐射特性也是防御上的重要研究对象。采用基于有限体积形式的LU格式离散N-S方程，通过时间推进法求解拦截弹轨控发动机喷管以及外场喷流区域在内的气相统一流场，同时考虑了各主要组分参与的化学反应，得到了轨控发动机喷管内外速度、温度、密度、组分浓度等参数的分布情况。研究表明：使用本文中的方法可以很好地计算出轨控发动机在真空中的内外流场。真空羽流膨胀迅速。     

轨控发动机羽流红外辐射的数值仿真

针对工作在高真空环境下的轨控发动机,数值模拟了其羽流红外特性。首先计算了考虑化学反应的轨控发动机喷管的内流场和外流场,得到了温度、压力、组分浓度等参数的分布。基于HITRAN 2008和HITEMP 2010数据库采用逐线积分法编程计算了气体光谱吸收系数。最后在此基础上用有限体积法建立的求解辐射传输方程的模型,计算得到羽流红外辐射强度在2~10μm范围内随波长变化的曲线。分析了羽流气体组分、波长、探测角度对羽流光谱辐射的影响,与同类文献中的计算结果进行了比较,结果表明：本文的计算模型和方法能较好地模拟轨控发动机羽流的红外辐射特性。     

Calculation of ignition and combustion of a hydrogen jet in air with finite chemical reaction rates

A comparison between two analytical models of a free turbulent mixing of reacting streams with finite chemical reaction rates is presented and the results of calculations compared with experimental data. The substance is a mixture of the inert non-dissociated nitrogen and oxygen that dissociates and reacts with hydrogen.For the first model the local values of flow parameters along the streamlines were provided by the numerical solution of the conservation equations in the boundary layer form for a multicomponent mixture of perfect gases in the von Mises coordinate system. In the course of this analysis the problem was treated by dividing the flowfield into a large number of regions and by solving the Cauchy problem of the conservation equations for each region.The second analytical model was based on the ignition delay to describe the chemistry in the region of pre-ignition. The external air stream was heated by combustion and the influence of the water vapor and the intermediate species on the reaction kinetics in the mixing zone was numerically investigated.The results of calculation are compared with the experimental data with respect to the location of a visible flame edge under combustion of hydrogen jet in the co-current flow.     

低空多喷管发动机喷焰红外特性研究

对多喷管火箭发动机低空尾焰的红外辐射特性进行了研究.基于热流法建立了喷焰红外传输计算模型,数值模拟了四喷管发动机尾流场2～5 μm光谱的红外特性.获得了光谱、波段辐射强度仿真数据及红外仿真热像,并与单喷管喷焰的红外特性进行了比较.考察了不同的喷管间距、探测方向、飞行高度对喷焰表观辐射强度的影响.结果表明,多喷管尾喷焰红外辐射光谱选择性与单喷管相似,但光谱峰值无线性关系;对于低空四喷管发动机尾喷焰,红外特性随喷管间距增加有所增强,随飞行高度增加,喷焰红外辐射强度提高.     

固体火箭发动机燃烧室喷管统一流场计算

采用ＳＩＭＰＬＥ算法的可压缩形式求解固体火箭发动机燃烧室喷管内的全速度统一流场;在非交错的配置网格基础上用有限体积法离散Ｎ－Ｓ方程,采用强隐式算法（ＳＩＰ）求解线性代数方程组;采用边界标志法实现复杂几何形状下的多区域统一计算;采用喷管外型逼近法保障计算稳定性;通过与同类计算结果的对比表明：上述算法的组合能够成功地获取固体火箭发动机内流场的整体结构。     

基于等效理论的RQL燃烧室掺混特性研究

采用RNG k-ε湍流模型对RQL（rich—burn／quick—quench／lean—burn）燃烧室内气流的掺混过程进行了数值模拟,运用等效思想,通过对混合流场内部温度、近壁区温度以及出口温度的分析,讨论不同掺混角度和掺混射流速度对RQL燃烧室混合特性的影响,进而了解RQL燃烧室工作时热流流场的结构状况。研究结果表明,不同的掺混气流入射角度和速度,对RQL燃烧室内气流掺混的高温区位置、壁面温度以及出口温度分布的影响明显。