计算矢量喷管流场的有限元法

本文通过采用扫描有限元法及多步龙格－库塔时间推进格式求解非定常平均Ｎ－Ｓ方程来模拟二元矢量喷管的内部跨速流场,成功地计算了二维有激波的跨声速喷管内部流场及仰 仰角３０°的三维矢量喷管内部流场。     

二元矢量喷管流场的N－S方程计算

对二元矢量喷管在不同工况下的流场进行了数值模拟。求解的控制方程为三维非定常Ｎ－Ｓ方程。空间方向用有限体积离散，时间方向用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法推进。粘性项的计算上采用了一种有限体积框架下新的离散化方法。湍流模型采用了广泛使用的Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数模型。计算表明，本文方法能准确地计算二元矢量喷管、非矢量喷管在设计与大设计落压比下的流场。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

塞式喷管流场数值模拟

采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式,从考虑к－ε湍流模型的理想气体三维薄层近似Ｎ－Ｓ方程出发,对塞式喷管内外流场进行了数值模拟。计算结果与国外文献十分一致。通过流场分析,对塞式喷管流动机理有了清楚的认识。计算表明ＮＮＤ２Ｍ差分格式及相应计算软件适合于模拟复杂喷流流场,可用于塞式喷管发动机的研究。     

强制偏流喷管的数值仿真

采用薄层Ｎ－Ｓ方程成功地求解了强制流喷管内的三维复杂流场，对通量项和压力项用Ｖａｎ Ｌｅｅｒ发展的矢通量分裂法进行了离散，对离散方程采用线超松弛方法迭代求解，在亚音速与超音速气流共同存在的出口边界分情况进行了处理。计算结果验证了强制偏喷管具有自动补偿外界压力变化的能力，与实验结果基本吻合。     

复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟

研究了球面收敛矩形扩张的二元喷管（ＳＣＦＮ）流场的数值模拟,为了有效地捕获激波与滑流面及较好地模拟分离,采用了Ｒｏｅ格式、ＭＵＳＣＬ方法及Ｖｅｎｄａｔａｋｒｉｓｈｎａｎ限制器、Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ方程紊流模型。研究中给出了两个喷管模型四个流动状态的数值模拟结果。结果表明,除了有严重分离的流动情况以外,该算法能得到相当满意的计算结果。     

姿控发动机喷管内流场及推力计算研究

运用时间相关法数值求解定常Ｎ－Ｓ方程和采用有限体积方法离散控制方程,对姿控发动机喷管内流场及其产生的推力进行了计算,得到了较为精细的流场图象。计算结果表明,不同壁面温度条件可以显著改变喷管壁面附近的流场结构及其产生的推力。     

管内正激波／湍流边界干扰的数值模拟

本文采用时均Ｎ－Ｓ方程和Ｂａｌｄｗｉｎ／Ｌｏｍａｘ代数湍流模型计算了典型拉伐尔喷管内正激波与湍流边界层干扰流场。     

真空羽流场的 N-S 和 DSMC 耦合数值模拟

根据调姿发动机真空羽流场的特点,采用差分求解Ｎ－Ｓ方程数值模拟喷管内流场,用ＤＳＭＣ方法数值模拟喷管外羽流场,得到了符合流动规律的数值模拟结果。为姿控发动机喷管设计提供了参考,并为真空羽流污染研究打下了良好的基础。     

喷管流场和羽流场的N－S数值模拟

利用时间推进的方法，通过求解可压缩的、雷诺平均的Ｎ－Ｓ方程，并利用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数湍流模型和Ｐｒａｎｄｔｌ混合长度模型，数值模拟了飞机和火箭发动机喷管的内流和羽流，获得了喷管内流场和羽流场的参数分布，计算结果与试验结果及国外研究成果一致。网格划分采用了自适应网格技术。     

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

潜入喷管背壁流场模拟显示

为了研究固体火箭发动机潜入喷管背壁流场的特点,设计了一种冷模拟实验装置.利用引入外加烟雾以及片光照明的显示技术进行背壁区域的流动显示,并用照相机和摄象机记录显示结果.结果表明:在雷诺数较高、潜入度较大和喷管潜入部分型面为凹弧面条件下,背壁区域容易形成旋涡;同时,针对实验条件进行内流场的数值计算,实验和计算结果相比较,二者在定性上具有良好的一致性.     

跨音速喷管流场波系分布的数值仿真

应用分离系数矩阵方法对跨音速喷管流场进行数值仿真, 同时计算喷管内马赫波分布。采用5151个网格点的计算结果清晰反映出喷管内膨胀波和压缩波的生成和反射。数值仿真与实验结果在宽广马赫数范围内吻合一致, 并揭示了波系分区分布, 反映出波系影响下跨音速喷管流场参数分布的规律性。      

尾喷管内部及其射流流场的数值模拟

通过求解三维Ｎ－Ｓ方程,对某型发动机尾喷管在亚临界及超临界状态下的性能进行了数值模拟,尤其对喷管射流流场及其对喷管内部流动的影响进行了研究。差分格式采用具有ＴＶＤ性质的三阶精度的Ｇｏｄｕｎｏｖ格式,射流场及内部流场简采用分区算法。数值试验表明,所采用的算法可以很好地处理来自于任意方向上的任意间断。     

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

喷管跨声速流场计算

本文用时间相关法求解定常跨声速喷管流场。对守恒型和非守恒型方程采用全场统一时间步长、当地时间步长和修正超阻尼法进行了计算。计算表明:采用当地时间步长可大大提高收敛速度,采用全场统一时间步长时,数值解非守恒型方程收敛较快;采用修正超阻尼法也能提高收敛速度,但与阻尼系数和时间间隔有关。     

固体火箭发动机统一内流流场(一维)的分析方法

本文对固体火箭发动机燃烧室、喷管内的流场进行了统一处理.给出了考虑变截面、有摩擦、加质量、传热、非定常的一维气-固两相流动偏微分方程组.推导出的统一计算方程组可以同时获得发动机燃烧室内孔燃烧流场和喷管流场,即发动机整个内流流场;可用于定常或非定常的纯气相以及气-固两相流流场的计算.通过算例,证明计算与试验结果是十分吻合的.     

膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法

为了提高流线追踪喷管设计方法的灵活性,从推力和力矩两方面考虑,引入特殊中心体,探索了壁面膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法.设计过程中利用特征线理论（MOC）实现了由膨胀规律求解气动壁面的反设计.针对基准流场的主要设计参数,包括膨胀规律、中心体及斜倾角等进行了参数化研究,得到了设计参数对基准流场结构及性能的影响规律.利用该基准流场,设计了矩形截面的流线追踪喷管(导出喷管),并进行了分析.结果表明:利用特征线理论可以实现膨胀规律到壁面的反设计;在进口参数和落压比一定的条件下,存在一定的膨胀规律使得基准流场的内推力最大;流场的中心体尺度和长度比对推力影响很小,可作为调整导出喷管力矩的设计参数;出口斜倾角增大会导致基准流场的长度减小,同时推力下降明显,设计时应综合考虑.      

大型结冰风洞气流场适航符合性验证

大型结冰风洞气流场适航符合性是大型结冰风洞适航应用的先决条件。为验证3 m×2 m结冰风洞气流场适航符合性,首先建立了结冰风洞气流场适航符合性验证方法,然后针对主试验段构型,开展了气流场适航符合性验证试验,考察了试验段气流速度和喷嘴干空气射流对流场特征参数(气流速度、气流偏角和气流湍流度)的影响,最后评估了试验段内气流场品质,获得了结冰风洞气流场控制包线。结果表明:喷雾耙结构会影响试验段内气流速度和气流偏角空间分布形态,进而导致了非均匀峰值区的形成;增大试验段气流速度会改善气流场品质,但喷嘴干空气射流会显著恶化试验段气流速度低于60 m/s的气流场品质;3 m×2 m结冰风洞主试验段气流场品质在主要试验速度范围内均满足适航审定要求。     

斜切反喷管粘性流场数值模

为了在级间分离期间提供反推力，许多固体火箭发动机前端都装有一组斜切反喷管，由于反喷管气动型面具有尖点，并在超音速区有台阶，喷管内存在一系列激波，并伴有流动分离现象。从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，利用时间相关法，采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显格式，结合Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，数值模拟了斜切反喷管流场。计算得到的壁面压强分布与风洞吹风实验测得的压强分市相当一致。