复合喷管热结构耦合计算的一种新的策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种新的策略。利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面间高温碳化带来的结构边界非线性因素。计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高温下界面间结构功能退化问题对于变形特征以及应力场影响很显著。     

轴对称喷管内外流场与结构温度场耦合计算

利用有限体积的对流项二次迎风插值格式和重整化群(RNG)k-ε湍流模型,二层增强型壁面函数,同时利用球形谐波法考虑热辐射的影响,以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程。采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交换数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静止的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟,计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好。在此基础上,进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。     

不同几何调节位置上的单边膨胀喷管流固耦合计算

为了获得高超声速飞行器非设计点上较好的性能,包括单边膨胀喷管(SERN)在内的几何可调方案成为了目前研究的热点,针对单边膨胀喷管开展了流固耦合的研究,重点分析流固耦合中的动态载荷问题,不考虑结构传热及重力的影响,对不同几何调节位置上的SERN开展了计算分析.结果表明在不同位置上,SERN唇口板均出现了超声速颤振.通过进一步分析,获得结论如下:(1)唇口板振动特点主要由材料属性和结构决定;(2)唇口板在不同调节位置上,振动频率大致均为结构的一阶振动频率,喷管升力的振荡范围较喷管推力的振荡范围大;(3)随着唇口板角度的增加,唇口板振幅增大.     

固体火箭发动机喷管热结构一体化计算

基于user-defined function(UDF)技术将固体火箭发动机喷管热结构计算程序嵌入到FLUENT软件中,通过UDF宏命令实现FLUENT耦合传热结果数据的提取,编写了接触边界的自动识别程序,采用直接约束法模拟喷管界面间的接触非线性问题,实现了固体火箭发动机喷管热结构的一体化计算.      

火箭发动机喷管非定常侧向力和流固耦合研究进展

为了提高现代火箭的运载性能,发动机趋于采用大面积比喷管。然而,大面积比喷管由于低空高背压会产生过膨胀现象,导致喷管内部流动分离的非定常和非对称特性,并且发生显著的侧向载荷问题,巨大的侧向载荷又引起喷管的流固耦合现象。总结了喷管流动分离的研究现状,阐述了不同时期喷管侧向载荷的研究目标及成果,并分析了引起喷管侧向载荷的因素。在侧向载荷分析基础上,进一步分析了喷管流固耦合问题的研究进展及方法,最后指出了所存在的科学问题,剖析了喷管侧向载荷设计的关键力学问题,并对今后喷管侧向力问题的研究方向提出了设想。     

发动机短舱内外流场与结构温度场耦合计算

采用CFX软件,利用SST k-ω湍流模型,同时引入了辐射模型考虑热辐射的影响.采用CFX的共轭传热方法,在流体域求解N-S方程,固体域求解热传导方程,然后在流固耦合交界处交换数据,实现了流场与结构温度场的耦合数值分析.为了验证此方法的正确性,对文献中轴对称喷管进行了数值模拟,所得喷管壁温与试验数据吻合良好;另外进行了高超声速钝体流场与结构温度场的耦合计算,计算所得激波位置与试验结果一致,固壁非定常温度场分布与文献结果吻合.在此基础上,进行了航空发动机短舱内外流场与结构温度场耦合的数值研究,并得出了几个短舱外表面蒙皮冷却的可行性措施,为飞行器红外隐身设计提供参考.     

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

非正交界面下的插值耦合传热方法

针对复杂热防护结构,开发了一种求解非正交性流/固界面的耦合传热程序。流体和固体区域采用同一积分、守恒型的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stock)方程,通过有限体积法进行离散求解。为了保证非正交界面上的温度和热流密度连续,提出了一种结合网格周边信息计算界面热流密度的插值方法。利用该插值耦合方法模拟了双层复合平板和喷管的热传导。数值结果表明:该插值方法在空间上具有2阶精度;喷管壁面上的对流换热系数沿轴向先增大后减小,在喉部上游达到最大值,当喷管入口压力增加3.38倍时,对流换热系数的最大值相应增加了3.13倍;喉衬与壳体界面上温度的计算值和试验结果存在一定差异,这是由于本文数值计算未考虑接触热阻引起的。     

流-固耦合计算的应用研究

为了解决用常规算法求出的流体与固体对流换热系数的不真实性问题,采用了流固耦合计算方法计算固体壁面的温度.其中采用模型模拟湍流流动,用壁面函数法修正处于流场内部的固壁,通过固体和流体双向耦合换热计算,得出了整个流场、温度场包括(固体部分和流体部分)的分布.     

固体火箭发动机喷管结构缝隙设计

通过热和结构计算，对固体火箭发动机喷管缝隙设计进行了分析。将燃气简化为一维等熵流以确定喷管内型面所承受的温度和压力载荷．基于三维有限元模型．计算了喷管的瞬时温度场。导入温度场分析结果，并用点一点接触单元模拟不同材料之间的接触状态，计算了温度和压力载荷联合作用下喷管的位移场和应力场。综合多个时刻的计算结果得到发动机工作过程中喷管结构缝隙和接触应力的变化趋势，并据此对设计缝隙提出了修改意见，结果可为发动机喷管设计提供参考。     

矢量喷管内燃气辐射与壁面温度的耦合计算

选取内、外调节片和隔热屏建立几何模型,基于封闭腔净辐射模型和壁面热平衡模型建立了燃气辐射与喷管壁面温度的耦合算法.波段为1~5μm的气体辐射采用窄波带模型计算,其他波段不考虑气体辐射,建立辐射净热流密度-有效辐射亮度-壁面温度的关联式求解燃气与壁面的辐射换热,采用牛顿-拉斐尔森迭代法求解壁面热平衡方程计算其温度.对某轴对称矢量喷管(偏转20°),计算了喷管壁面的红外光谱辐射和辐射净热流密度,以及各部分结构的温度.作为验证,还计算了文献中某液体火箭发动机轴对称矢量喷管壁面的辐射净热流密度,与文献的结果进行对比一致性较好.研究表明:轴对称矢量喷管偏转段沿周向的辐射热流密度和温度差异很大,沿偏转方向部位壁面的温度和辐射热流密度都较低,偏转方向壁面的温度比相反方向大约低10%,辐射热流密度大约低50%.      

旋转固体火箭发动机喷管热结构分析

以某固体火箭发动机喷管为例,研究其旋转情况下的流动、传热及热结构响应性能。利用雷诺应力湍流模型,结合增强型壁面函数,求解N-S方程。以喷管内壁面温度分布为边界条件,求解二维轴对称瞬态热传导方程。将瞬态温度场按时间步长加载,进行瞬态静力学分析,得到不同转速下的流场、温度场及应力场。结果表明,喷管在旋转情况下,喷管内壁面尤其是喉部及扩张段温度分布在转速为100 r/min及600 r/min左右时变化剧烈;旋转内流场与喷管结构的耦合作用加剧了喷管的传热,尤其是喉衬的烧蚀,特征点温度值随转速增大而升高;最大热应力位于喷管最外层尾端,整体热应力在转速低于100 r/min时得到释放,随着转速的不断增大,喷管整体最大热应力及扩张段特征点应力随之增大,而喉衬特征点由于旋转导致了温度梯度降低,其应力值随之减小。     

Calculation of Wall Temperature for Aircraft Exhaust System with Considering Gas Radiation Heat Transfer

The coupled numerical simulation of flow field, solid temperature field, species concentration field and gas radiation transfer/ energy field based on statistical narrow-band correlated-k (SNBCK) model, is employed to accurately predict aerothermodynamic characteristic of aircraft exhaust system. A series of methods to increase computational efficiency and descend computational resources make it possible to finish the calculation in PC. The parameters of narrow-band model are evaluated by HITEMP line-by-line database. Three examples have proved the accuracy of using these methods to solve flow heat transfer coupled problem and radiation transfer/energy equation, which are the calculation of temperature distribution of water-cooling nozzle in rocket engine, the calculation of carbon dioxide absorptivity at 4.3 micron band, and the gas radiation heat transfer evaluation of the cylindrical furnace. Finally, the inner flaps temperature distribution of ejecting nozzle with floating outer flaps is computed, under high-altitude, high-speed and afterburning conditions. Two completely different air-inlet schemes of ejecting channel almost achieve the same effect in cooling inner flaps.     

Multi-phase flow effect on SRM nozzle flow field and thermal protection materials

Multi-phase flow effect generated from the combustion of aluminum based composite propellant was performed on the thermal protection material of solid rocket motor(SRM) nozzle.Injection of alumina(Al₂O₃) particles from 5% to 10% was tried on SRM nozzle flow field to see the influence of multiphase flow on heat transfer computations.A coupled,time resolved CFD(computational fluid dynamics) approach was adopted to solve the conjugate problem of multi-phase fluid flow and heat transfer in the solid rocket motor nozzle.The governing equations are discretized by using the finite volume method.Spalart-Allmaras(S-A) turbulence model was employed.The computation was executed on the different models selected for the analysis to validate the temperature variation in the throat inserts and baking material of SRM nozzle.Comparison for temperatures variations were also carried out at different expansion ratios of nozzle.This paper also characterized the advanced SRM nozzle composites material for their high thermo stability and their high thermo mechanical capabilities to make it more reliable simpler and lighter.      

三维数值模拟再生冷却喷管的换热

为了解液体火箭发动机喷管再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的三维控制方程，进行流动和传热的耦合计算。在计算中，假定喷管流动为冻结流动，考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热；采用二阶迎风格式离散控制方程，采用DO模型离散求解辐射换热方程，水蒸气的吸收系数根据Leckner公式计算。计算模型采用缩比热试车发动机，数值计算结果与实验结果吻合较好，较准确地模拟出了喷管的壁面热流密度，得到了喷管燃气和冷却液的流场和温度场，对高压再生冷却喷管的设计具有指导意义。     

固体火箭发动机喷管结构瞬态温度场的理论预估

本文采用目前广泛应用、效果显著的有限元法,对固体火箭发动机复合喷管结构的轴对称瞬态温度场进行了理论预估.在计算中考虑了对流换热系数沿喷管轴向的变化及材料的方向性.所编程序通用性较好.     

基于流体网络法的喷管冷却气流量分配计算方法

流体网络法对喷管气膜冷却问题具有独特的优势,但难以反映出入流对冷却气流道静压变化的影响。针对此引入了可反映出入流导致静压变化的管道元件,并基于孔口速度落后角对静压变化量进行了建模。验证算例表明,这一改进使沿程静压变化趋势与实际吻合较好,使冷却气流量分配计算误差降低到0.5%以下。将改进后的流体网络法与主流通道的计算流体力学模拟耦合用于分析喷管冷却气流量分配,与全计算流体力学模拟相比结果差异小于1.2%,且大幅降低计算量;在某型喷管设计中的应用表明,可以有效反映冷却结构改变对冷却气流量分配的影响。