RBCC发动机超燃/火箭模式流场数值模拟研究

针对进排气系统与燃烧室匹配工作的中心支板式火箭基组合动力循环(RBCC)发动机,通过数值模拟研究了RBCC发动机在低动压、高速高空域飞行条件下以超燃/火箭模式工作时的燃烧流场特征,并分析了支板火箭喷管出口流量的变化对燃烧流场的影响。结果表明:在超燃/火箭模式下,支板火箭工作能促进燃料与空气的掺混燃烧,实现发动机稳定工作,同时可提升发动机的推力性能;随着支板火箭流量的增加,发动机产生的总推力逐渐增大,总推力与火箭流量大小近似成正比;随着火箭流量的增加,燃烧室中的流动状态向以超声速流动占主导地位发展,进气道的抗反压能力得到提升。      

降低表面温度和发射率抑制排气系统红外辐射的研究

为了降低涡扇发动机轴对称排气系统的红外辐射特征,研究了降低排气系统腔体表面温度和发射率抑制红外辐射的规律。首先通过模拟实验研究了对中心锥进行冷却和涂覆低发射率涂层的红外抑制效果;然后用实验数据对本文使用的红外辐射特征计算方法和程序进行了验证;最后通过数值计算研究了典型尺寸的涡扇发动机排气系统降温和发射率分布对红外辐射特征的影响规律。结果表明：降低中心锥等部件的温度和发射率可明显降低排气系统在α〈15°范围内的红外辐射强度;若中心锥的温度降低100K,中心锥、涡轮和径向稳定器等部件的表面发射率降至0.2,则排气系统尾向的红外辐射强度可降低40%以上,探测距离缩短20%左右。     

涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统红外辐射特征的对比

用数值模拟的方法对比研究了涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件进行模拟,红外辐射特征采用根据反向蒙特卡洛法自主开发的软件进行计算,计算分析了两种排气系统在3~5μm波段红外辐射的空间分布以及喷管内不同固体部件在探测方向上的辐射贡献.在红外辐射特征计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射以及燃气组分二氧化碳、水和一氧化碳的吸收-发射等影响.结果表明:两种排气系统红外辐射的空间分布特性不同;混合排气喷管的积分辐射强度在方位角为0°~10°时大于分开排气喷管,在其他方位角范围内均小于分开排气喷管.      

二元收扩喷管设计参数对红外特征影响的数值研究

采用正交试验设计方法进行排气系统红外辐射(IR)特征数值模拟算例的设计,研究了二元收扩喷管(2D-CD)喉部宽高比、喉部型面半径比、收敛半角和扩张半角等参数对排气系统红外辐射特征的影响,并且开展了参数对排气系统红外辐射特征影响灵敏度的分析。结果表明:扩张半角是影响二元排气系统红外辐射特征空间范围最宽的参数,收敛半角主要影响尾向10°～30°范围的红外辐射特征,喉部宽高比主要影响正尾向0°和侧向90°的红外辐射特征,喉部型面半径比对红外辐射特征的影响较小;二元排气系统不同方向上红外辐射特征的最主要影响参数不同,正尾向0°方向上的最主要影响参数是喉部宽高比,侧向90°方向上的最主要影响参数按影响程度大小排序依次为扩张半角、喉部宽高比。     

直升机旋翼下洗气流对排气喷流的影响

采用数值模拟方法,对旋翼下洗气流作用下的排气喷流流动特征进行了研究,分析了旋翼下洗气流速度和排气喷口方向对排气喷流流动以及排气系统引射能力的影响.研究结果表明:排气喷流受到旋翼下洗气流的作用而发生明显的向后机身下方以及旋翼转动方向的偏转,其偏转程度随旋翼下洗气流速度的增大而加剧;当排气喷口向上排气时,排气喷流在旋翼下洗气流作用下的偏转能够形成对后机身表面的撞击,排气系统的引射能力有微弱的降低,引射系数减小约0.01;而当排气喷口斜向上或侧向时,排气喷流对后机身未形成撞击,引射能力得到了一定程度的提升,引射系数最大增大0.12.      

固体火箭发动机烧蚀/侵蚀试验

空气动力学研究中心、七机部、科学院、上海8252所等八个单位组成的联合试验组,从80年11月至81年5月,在7013厂先后进行了9次烧蚀/侵蚀试验。 试验在FG-9发动机排气中进行。排气温度约2000°K,排气速度为2500米/秒,排气压力为1.5公斤/厘米~2,排气中Al_2O_3含量为30％(重量百分此),模型为球锥形,R15毫米,半角11°,底部φ60毫米、由试验端头和底座组合而成。试验时端头驻点离喷管出口截面50毫米。测试项目有电影摄影,定时摄影,外形测量,表面辐射温度测量。支架采用非冷却的钢结构。试验结合发动机正常试车进行。试车情况表明:这样的试验对发动机试车没有影响,试验结果见表1。     

旋翼下洗和排气方向对直升机红外特征的影响

采用数值模拟方法,对旋翼下洗作用下的热喷流流动特征进行了研究,分析了旋翼下洗速度和排气喷口方向等因素对直升机红外辐射特征的影响.结果表明:热喷流在不同的排气方向下受到旋翼下洗的影响存在较大的差异,当喷口向上排气时,热喷流在旋翼下洗作用下的偏转能够形成对后机身表面的撞击,致使后机身温度升高;喷口向上排气旋翼下洗速度为10m/s时的固体红外辐射强于无旋翼下洗情形,对于喷口斜向上45°排气和侧向排气,随着旋翼下洗速度的增加,红外辐射强度均呈现逐渐降低的趋势;喷口排气方向对直升机红外辐射强度空间分布的影响十分显著,喷口斜向上排气时在顶向和侧向的红外辐射强度基本相当,而喷口向上或侧向排气,在某些探测方位存在局部很高的红外辐射强度.      

发动机排气系统及尾喷流的流场和红外特征数值模拟

建立了发动机排气系统及尾喷流的内外流一体化流场数值模拟计算模型,得到了发动机排气系统及尾喷流的流场.然后采用辐射传递方程(RTE)积分法研究了发动机排气系统及尾喷流的红外辐射特征,开发了相应的红外辐射特征计算源程序.程序可以计算加力和非加力两种状态下的红外光谱辐射特征,在加力状态下主要增加考虑了soot粒子的光谱吸收与发射.气体介质考虑了水蒸气、二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮的红外光谱吸收与发射.最后给出了在光谱3～5 μm范围内,某发动机在高空飞行时其排气系统及尾喷流在加力和非加力状态下的红外辐射特征的模拟结果.      

外涵偏轴分开排气喷管的流场和声场数值计算

以某型涡扇发动机为原型,建立了1/10缩比的分开排气式涡扇发动机排气喷管物理模型,采用大涡模拟(LES)计算了不同外涵偏轴距离的排气喷管非稳态流场,利用FW-H(Ffows Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了排气喷流噪声声压级空间分布特征.计算结果表明:外涵偏轴式分开排气喷管有抑制排气喷流噪声的作用.喷流噪声整体抑制效果与偏轴距离有关,在偏轴距离为0.15D时,排气喷管下方的噪声降低达到最大,且排气噪声峰值由原型的146.7dB降低到139.5dB,降低了7.2dB.研究的排气结构和数值计算方法可作为分开排气式涡扇发动机降噪设计的参考.      

二元俯仰矢量喷管排气系统红外特征模拟实验

实验研究了二元俯仰矢量喷管排气系统在几何偏转角0°,10°,20°三种状态下的壁面温度分布与红外辐射特征,并与基准轴对称喷管排气系统进行了对比分析。结果表明:二元俯仰矢量喷管排气系统的红外辐射特征相对基准轴对称喷管排气系统有明显下降,正尾向降幅约10%;随着几何偏转角的增加,隔热屏与收敛段的温度逐渐上升,偏转段压力侧壁面温度略有上升,吸力侧壁面温度略有下降,最大变化幅值30K;排气系统红外辐射强度随偏转角增大而增大,尾向15°~45°和-15°~-60°范围内增幅明显,最大增幅可达70%。      

二维火箭喷焰流场的化学组份和电磁特性计算

提出了一种能计算二维火箭喷焰流场化学组份和电磁特性分布的计算模型和方法,并编制了相应的计算机程序。该程序能较真实地反映喷焰流场中发生的实际化学反应和电磁波衰减效应,适用于接近完全膨胀的少烟或无烟推进剂火箭喷焰参数的计算。计算结果表明,不考虑化学反应,将对流场内参量,特别是化学参量和电磁参量的计算结果产生很大误差。     

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

通过固体推进剂火焰的激光信号衰减研究

本文讨论波长为 1.0 6 μm的 YAG激光束通过固体推进剂火焰时引起的信号衰减。对固体推进剂药条上方的燃烧火焰和发动机喷出的高速羽焰进行了实验测量。结果表明,YAG激光束在穿越推剂火焰后会引起信号衰减;不同的推进剂引起的衰减量有很大不同;推进剂中铝粉的含量是造成近场羽焰激光信号衰减的主要因素。      

数值模拟喷焰2.7微米红外辐射特性

以固体火箭发动机尾喷焰的红外探测为主要应用背景,利用反向蒙特卡罗法和有限体积法计算了火箭尾喷焰红外辐射特性,获得了尾喷焰在探测波长为2.7μm下的红外辐射的空间、光谱分布特性,两种方法的计算结果也非常接近,具有重要的理论意义和实际应用背景。     

高空火箭发动机羽流特性的计算机预估

根据真空膨胀模型，均匀激波层理论以及牛顿薄激波层理论建立了一种气体向真空膨胀的简单分析模型。给出了近似解，并编制了计算机程序。该程序可用于预估高度在１００ｋｍ到２０００ｋｍ范围内的火箭羽流的边界，羽流核心区的速度以及密度分布和羽流的特征参数。计算结果与同类文献的可比结果比较基本一致。     

火箭弹发射过程冲击流场压力和温度实验测量

考虑燃气流场的冲击效应，根据冲击特点对燃气作用区域的装置结构和强度进行合理的设计，以获得有效的导流和防护效果。实验对火箭发射阶段管后冲击流场在平面斜钢板上的流动参数进行了测量。得到了火箭燃气射流对倾斜钢板热冲击的最大滞止压力和温度，以及冲击流场的压力与温度分布，并确定了管后燃气冲击流场的危险区域。     

固体火箭发动机排气羽流对微波衰减的计算方法

研究了弱电离的羽流等离子体对平面正弦微波的衰减机理,应用羽流等离子体电磁场标准Maxwell方程,结合颗粒相产物充放电的Shukla方程,给出有效用于微波衰减的预估方法;编制了(Radio fre-quency attenuation calculation,简称RFAC)羽流场微波衰减计算软件;分析了羽流场各特性参数对复电导率及微波衰减常数的影响规律,并结合ThermoCalc推进剂热力学评估系统计算了两种不同推进剂配方下,喷管出口羽流场对微波制导信号的衰减,计算结果与文献中的实验结果符合较好.      

月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.      

三组元双工况火箭发动机羽流发射光谱实验研究

为研究火箭发动机故障的羽流光谱诊断技术，对三级元双工况火箭发动机羽流发射光谱进行了实验测量。结果表明娄发动机有异常杂质进入羽流时，羽流光谱中有该物质的显著特征光谱；同时，正常情况下羽流辐射光谱随发动机不同结构、不同工况及不同工作参数而表现出不同的特征光谱。     

Numerical study on similarity of plume infrared radiation between reduced-scale solid rocket motors

This study seeks to determine the similarities in plume radiation between reduced and full-scale solid rocket models in ground test conditions through investigation of flow and radiation for a series of scale ratios ranging from 0.1 to 1. The radiative transfer equation(RTE) considering gas and particle radiation in a non-uniform plume has been adopted and solved by the finite volume method(FVM) to compute the three dimensional, spectral and directional radiation of a plume in the infrared waveband 2–6 μm. Conditions at wavelengths 2.7 μm and 4.3 μm are discussed in detail, and ratios of plume radiation for reduced-scale through full-scale models are examined. This work shows that, with increasing scale ratio of a computed rocket motor, area of the hightemperature core increases as a 2 power function of the scale ratio, and the radiation intensity of the plume increases with 2–2.5 power of the scale ratio. The infrared radiation of plume gases shows a strong spectral dependency, while that of Al_2O_3 particles shows spectral continuity of gray media.Spectral radiation intensity of a computed solid rocket plume's high temperature core increases significantly in peak radiation spectra of plume gases CO and CO_2. Al_2O_3 particles are the major radiation component in a rocket plume. There is good similarity between contours of plume spectral radiance from different scale models of computed rockets, and there are two peak spectra of radiation intensity at wavebands 2.7–3.0 μm and 4.2–4.6 μm. Directed radiation intensity of the entire plume volume will rise with increasing elevation angle.