环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性

将塞式喷管概念扩展到水下固体火箭发动机应用领域,为了研究高背压环境下塞式喷管的水下流动分离特性,建立水下塞式喷管流动分析模型,并采用流体体积法(VOF)两相流模型对设计马赫数2.0的环喉型圆锥塞式喷管水下工作时的过膨胀流场进行了气/水耦合数值模拟,计算考虑了气体的压缩性和粘性。计算结果显示:圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击等不稳定现象;与空气环境下的工作条件不同,气/水界面表现出类似于壁面的约束作用,塞锥外流场形成的波系结构由塞锥壁面和内喷管出口下游气/水界面共同决定;水下超声速气体射流的不稳定振荡引起喷管出口背压和气/水界面的脉动,塞锥表面的分离流场随射流的振荡而变化,根据流场激波结构以及塞锥表面分离特征的不同,可以区分为5种不同的分离流动形态;塞式喷管在水下和空气环境下的分离流动振荡的驱动机理不同,水下分离流场的振荡主要受气/液两相相互作用诱导的射流振荡过程的影响,分离流场附近壁面压强振荡频率覆盖0~1000Hz范围内的较宽频带,且没有显著的特征频率。     

可压稀相两相流场的数值模拟

针对可压两相流动，在阻力系数中考虑了可压缩性及颗粒聚积所造成的影响，用TVD格式对沙层，平板及JPL喷管内的气固稀相两相流进行了数值模拟，所获结果和已有的实验数据及有关文献吻合很好，在JPL喷管中，随着质量分数的增加，由于气体和颗粒间的相互作用逐渐增强，气相的温度增大，马赫数减小，但压力变化很小，而随着颗粒直径的增加，气相轴线上的温度减小。     

注水喷管特性分析

在喷管喉部后方注水，使喷喉临界状态在一定范围内不随出口环境的压力而变化，并对其流动特性进行了分析。在一维定常流动假设的基础上，采用控制容积法建模，在一定参数范围内选代计算喷管背压、喷水量与喷管几何参数之间的数值关系，并对计算结果进行分析和讨论。     

强制偏流喷管的实验研究

介绍了整体级概念及强制偏流喷管，分析了喷管内的流场与外蜀压力变化的关系。在实验参数相同的条件下进行了与普通锥形喷管的对比实验，并测定了在发机工作过程中扩散段的压力变化，结果表明，该喷管具有良好的推力性能和自动补偿外界压力变化的能力。     

气体展开裙喷管风洞展开和性能试验

本文叙述了气体展开裙(可延伸喷管方案的一种)在风洞中展开及性能试验结果.展开裙由发动机点火燃气展开,由喷管排气流的压力稳定在展开位置上.风洞试验用的气体展开裙用四种不同厚度(0.035、0.05、0.1、和0.15mm)的不锈钢和紫铜薄材制成.每种厚度的裙分别安装在四个不同面积比(40.4、61.3、82.5和100)、相同出口直径(113.2mm)的罗氏截短喷管上.加裙展开后喷管的面积比分别为60.1、89.2、118.9和148.6.展开试验时,选用的总压为250～735hPa.气体展开裙在真空舱内展开时间小于10ms,展开后型面良好,工作稳定,性能试验时,选用的总压为350～600kPa.试验表明,装有气体展开裙的喷管性能与相同面积比的固定喷管基本相同,重复性很好,比冲增加1%左右,试验性能与修正后的理论值符合良好.     

结构参数对圆转矩形喷管换热的影响

为了解结构参数对圆转矩形内喷管再生冷却换热的影响，设计了多个圆转矩形喷管，考虑了三种结构参数：转方位置、出口高宽比和出口圆角大小的影响。采用有限体积法求解三维可压缩的N-S方程对其内部流动和换热进行了数值模拟。湍流模型采用标准的k-ε双方程模型，壁面附近的流动和传热采用壁面函数法处理，速度与压力的耦合采用SIMPLE算法求解。结果表明：在型面一阶导数连续的情况下，转方位置对圆转矩形内喷管的换热影响不大；出口高宽比对圆转矩形内喷管的换热影响较大，出口高宽比不能太小，否则影响内喷管流场和换热；出口圆角大小影响内喷管周向上的温度分布，圆角太小造成周向温度分布不均匀。     

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。      

扩张管和燃料部分填充对PDE效能的影响

采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,氢-氧混合物产生爆轰波的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充系数能使比冲显著提高。     

小推力、长时间工作的固体火箭发动机长喷管烧蚀、冲刷和隔热的试验研究

本文简要地叙述了小推力、长时间工作的固体火箭发动机长喷管的烧蚀、冲刷和隔热问题的试验研究工作。对研制过程中所遇到的不同材料在高温下的热膨胀及喷管穿火和喉部烧蚀、冲刷等问题进行了探讨。着重指出:对烧蚀、隔热采用的不同材料在结构上必须考虑高温下的热膨胀补偿及气体挥发份的逸出;整体钨渗铜喉衬入口处形成的“烧蚀台阶”造成该处流场的严重扰动,是导致喷管穿火的重要因素。另外,对造成钨渗铜喉部烧蚀、冲刷的各种因素进行了分析,认为含有大量固体微粒(A1_2O_3)的高温高压高速燃气流对喉部壁的机械冲刷是主要原因。为此,正确选择整体钨渗铜喉衬内型面结构参数以减小燃气流对喉部的机械冲刷作用是解决喉部烧蚀、冲刷的关键。 试验结果表明,采取相应的改进措施后,目前的长喷管设计是成功的。     

脉冲爆震发动机喷管流动的数值模拟

为了研究喷管形状及充气状况对脉冲爆震发动机推进性能的影响,发展了基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积程序,对影响脉冲爆震发动机推进性能主要过程进行了数值模拟,计算结果和相应的实验结果较为一致。锥形喷管的算例表明,不仅锥角对喷管性能有重要影响,而且同一锥角下喷管内的充气状况对喷管性能也有重要影响。在喷管内充空气情形下,爆轰波进入喷管后迅速衰减为激波,扩张管道的超声速膨胀使得喷管壁面压力显著下降,从而削弱了喷管提高脉冲爆震发动机推进性能的作用。在喷管内充燃气情形下,爆轰波进入喷管后可一直维持到喷管出口,显著提高了脉冲爆震发动机的推动性能。     

带有不确定因素的最优拦截制导律

本文从微分对策观点出发,利用极小极大原理讨论了带有不确定因素的最优拦截制导律。在选择特定的过渡时间时,最优拦截制导律具有综合形式。仍由二部分组成:一部分是变系数比例导航,另一部分是与导弹加速度有关的修正项。     

轴对称超音速进气道喘振及其控制

本文介绍了双锥轴对称超音速进气道在来流M_∞=1.97、0°攻角下,几何喉道、中心锥体表面上静压脉动时间历程随流量系数的变化特征。在稳定的超临界和亚临界下,静压时间历程平稳;喘振时,静压脉动值很高,其ΔPr.m.s约为稳定的超临界下的几倍,压力脉动的主特征频率为43.75Hz。 本文的重点是研究轴对称超音速进气道在较大攻角下的喘振特征及其控制效果。进气道喘振时,中心锥背风侧的头波首先产生大振幅的激烈振荡,其压力脉动的主特征频率为18.75Hz,静压脉动的ΔPr.m.s约为迎风侧的二倍;而迎风侧的头波仅作较小振幅的振荡,静压脉动的主特征频率为20Hz,同背风侧的很接近。文中对比了喘振和由于吸除附面层消喘后的头波特征、中心锥体背风侧和迎风侧各自的静压脉动时间历程、静压脉动主特征频率的变化。指出消喘后的背风侧锥面静压ΔPr.m.s仅为喘振时的1/3;迎风侧的静压ΔPr.m.s仅为喘振时的1/2;文中最后对轴对称进气道在较大攻角下的喘振特征作了分析。     

离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴雾化特性研究

对一种组合式的离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴喷雾特性进行研究.双旋流器采用旋向相同的径向开孔式设计,在常温常压下试验,研究不同空气压力降和喷嘴供油压力工况下液雾的索太尔平均直径及分布指数.试验中以航空煤油为介质测试其雾化性能,采用马尔文激光测雾仪测量喷嘴下游50 mm处的液雾分布.结果表明:随着空气压力降和喷嘴供油压力的增大,索太尔平均直径减小,分布指数增大,推导了在空气压力降Δp/p＞3%和Δp/p＜3%两种工况下索太尔平均直径计算模型.      

多喷嘴超声速引射器启动性能试验

建立了多喷嘴超声速引射器试车台,采用燃气作为一次流驱动工质对多种多喷嘴构型引射器的启动性能进行了试验研究。试验结果表明:相对于环型引射和中心引射,具有较高一次流马赫数的多喷嘴引射在增强混合的同时引入了额外的压力损失,其启动所需要的第二喉道面积更大、最小启动压力更高;引射喷嘴个数越多、管道马赫数越高、引射喷嘴出口马赫数越高,则所需启动压力越高;引射喷嘴出口马赫数越高,所获得的盲腔压力越低;二次流的"助推"作用可以在一定程度上改善引射器的启动性能。     

两级喷管喉径比对燃气蒸汽弹射参数的影响

针对两级喷管不同的喉径比参数,建立了耦合弹体运动和气液多相汽化的多相流模型,研究改变喉径比对燃气蒸汽弹射流场参数、弹射装置载荷和弹体内弹道的影响。结果表明:在一定范围内增大或者减小喉径比,均会导致弹射装置流场参数和发射稳定性变差。当喉径比增加过多时,将不能建立满足工作条件的喷水压差;喉径比过小时,激波上移最终会导致燃气发生器工作异常。喉径比为1.46时,尾罩压强差最小,发射稳定性能最优,温度最大值控制在设计值800K内,内弹道参数均满足设计要求。      

高超声速弯曲激波压缩侧压式进气道数值研究

采用壁面马赫数呈线性分布的曲面压缩系统改进参考侧压式进气道的顶板,得到弯曲激波压缩侧压式进气道,并与参考侧压式进气道进行了比较.数值研究结果表明:设计状态无黏时曲面压缩顶板壁面马赫数分布与给定的马赫数分布基本一致,并且有黏时其壁面压力分布也与二维曲面的基本相同;同参考侧压式进气道相比,顶板采用曲面压缩能够一定程度地改善壁面压力分布,使其末端压力梯度变化平缓;并且非设计状态下的性能也得到有效地改善,特别是来流马赫数为4时,其流量系数提高6.0%、达到0.799,喉道截面总压恢复系数提高1.9%;来流马赫数为5时,其流量系数提高5.2%、达到0.909,喉道截面总压恢复系数提高3.2%.随着攻角增大,该进气道流量捕获能力增强、隔离段出口截面流场畸变减小,但喉道截面总压恢复系数下降剧烈.      

流体喉部横流喷嘴的雾化特性

为了研究横流喷嘴的雾化效果以及对发动机推力的影响,采用互击式直流喷嘴、逆向式直流喷嘴和水平式直流喷嘴进行了冷流试验.研究了不同试验工况下喷管出口喷雾场雾滴的索太尔平均直径与发动机的推力特性.研究结果表明:随着压比的增加,雾滴直径减小;相同的压比下,雾滴直径最小的喷射方案为喉扩喷射,雾化质量最好的喷嘴为互击式直流喷嘴;同时在喉扩喷射方案下,3种喷嘴的扼喉能力与推力比随着流量比的增加而提高.      

高转速袋型阻尼密封泄漏的特性

采用有限元分析和计算流体动力学耦合数值分析方法(FEA/CFD),研究了考虑转子系统由于高速旋转造成转子径向伸长效应时袋型阻尼密封的泄漏特性和流场形态.计算了密封间隙为0.13mm时,袋型阻尼密封试验件在3种压比、3种转速下的泄漏量,并与试验值和不考虑转子伸长效应的CFD数值模拟结果进行了比较,验证了所采用的FEA/CFD数值方法的可靠性(误差小于1.3%)和高转速下考虑转子伸长的必要性.研究了6种压比、6种转速下密封间隙为0.25mm的袋型阻尼密封的流场和泄漏量,分析了压比和转速对袋型阻尼密封泄漏特性的影响规律.结果表明:当压比大于0.26时,随压比的减小,袋型阻尼密封泄漏量逐渐增大;当压比减小到一定值时(π<0.26),泄漏流体的马赫数在最后一个密封齿间隙处达到1.0,即发生了堵塞,此时泄漏量达到与密封进口总压相对应的最大值;在高转速下,考虑和不考虑转子半径的伸长,密封泄漏量均随转速的增大而减小;在转子面周向马赫数大于0.35时,需要考虑转子半径伸长对泄漏量的影响.      

球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征的实验研究

为了获得球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征，在小型热射流实验台架上运用红外热像显示和流场测量，在总温673～823K、喷管落压比(NPR)1．46～2．25状态下，对不同喉道宽高比、俯仰角和偏航角的热射流特征进行了实验研究。在本研究范围内，NPR对矢量喷管上壁面附面层流动影响不大；在扩张上壁附面层分离的情况下．壁面附近的流线被上抬，形成“马鞍”形异型总压分布；喷121出121下游的激波呈现一连串的“葫芦”状，随喷管矢量角的增大，流场的不对称性越明显；在收扩喷管喉道宽高比（ARi）为2时，热射流被分成两股。     

结构参数对单组元高室压脉冲推力器的性能影响

高室压脉冲火箭发动机由于使用差动式可移动喷注器,能够得到比供给压强高得多的燃烧室压强.为了分析其工作特性,建立了单组元脉冲火箭发动机挤压喷注、燃烧、排气过程的集总参数模型,以硝酸羟铵(HAN)基作为单组元推进剂,采用四阶龙格-库塔法对模型进行求解.分别从喷注器喷孔面积、喷注器差动面积比、喷管喉部面积、喷注器行程等方面分析并总结了结构参数对单组元高室压脉冲发动机性能的影响规律及影响程度.结果表明:计算模型能反映发动机的实际工作过程,其中,喷注器行程对燃烧室平均压强和平均比冲的影响最大,平均推力则对喷管喉部面积的变化最为敏感,上述两个结构参数是发动机优化设计时的首要考虑因素;其他结构参数对发动机也存在不同程度的影响,可以作为次要因素来考虑.