无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程内流场计算

本文提出了计算无喷管固体火箭发动机压力建立过程的 P(x,t)模型,它的控制方程是一组一维非定常两相非平衡流和一组一维非定常两相非平衡流动力学方程,该方程采用 MacCormack 显示差分格式求解.本文还建立了在跨音速和超音速气流流动下的侵蚀燃烧模型,该模型适用于无喷管固体火箭发动机.利用本文的模型可精确预示无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程的内弹道性能,并可研究无喷管固体火箭发动机的内流场变化规律.     

水环境下喷管流动分离数值研究

为了研究水环境下发动机喷管流动分离现象以及影响因素和规律,基于VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型,建立了水环境下固体火箭发动机喷流流场数值仿真模型,并进行了不同喷管扩张比和NPR(燃烧室总压与环境压强之比)下的喷流流场数值模拟。通过数值仿真分析获得了水环境下喷管内发生流动分离时推力、压力特征和流场非定常变化特征,水环境下喷管内流动分离具有强烈的非定常振荡特征,分离激波会在分离点与发动机喷管出口之间呈现推进-返回-推进周期性振荡的流动特征。同时,获得了喷管扩张比和NPR对流动分离特征的影响规律,相同水深环境下不同扩张比喷管对流动分离点位置影响较小; NPR越小,流动分离点的位置处喷管扩张比越小。     

固体火箭发动机推力终止过程的数值分析

本文指出,在大、中型固体火箭发动机的推力终止过程中,打开反向喷管(或辅助排气孔)必定导致产生一系列强度相当大的压力脉冲,而现有的理论分析均不能预估和解释这一现象。本文提供了一组冷模拟实验结果,讨论了产生压力脉冲的原因,提出了估算其强度的方法,并且应用特征线法和激波拟合法进行一维非定常流动的数值计算,发展了一种能够同时预估压力脉冲强度的内弹道计算程序。预估结果与实验曲线吻合良好。     

某发动机压力上升段的计算

本文将零维流动模型、简化模型、一维两相非定常流动模型的计算结果和实验结果进行了比较。结果表明;零维模型可用于定性预测压力上升过程,其结果与实验值趋势一致;一维两相非定常流动模型的计算结果与实验值相吻合;简化模型不能反映压力上升过程的真实情况。     

类火星环境中火箭起降过程喷流影响研究

采用尺度自适应模拟（Scale Adaptive Simulation, SAS）方法对火箭在起降过程中喷流的地面效应进行了数值研究，对比分析了在海平面和类火星环境下的喷流冲击倾斜地面和水平地面时的流场结构以及喷管的侧向载荷。在海平面环境下，喷管内部出现流动分离，喷管内壁压力先减小，在分离点处压力达到最低点，然后压力增加至环境压力。喷流冲击倾斜地面时具有更强烈的流动不稳定性，喷流出现明显的时间演化现象。在类火星环境下，喷管内部不发生流动分离，内壁的压力沿着流向逐渐减小。喷流冲击倾斜地面时，在喷管出口的外侧形成了上下移动的马赫盘；喷流冲击水平地面时，喷流和地面反弹气流相互作用，阻碍了马赫盘的形成。研究结果还表明在类火星环境和海平面环境下，喷流冲击倾斜地面时喷管内壁温度均上升。研究结果将为火箭回收和火星着陆的方案选取提供参考。     

用于定常二维跨声速喷管流动分析的N—S解程序

本文介绍了用于分析平面和轴对称定常跨声速喷管流动的有效的Navier—Stokes解算法。本法是利用跳格数值算法在物理上取的坐标中求解守衡型非定常可压缩N—S方程。分析了几种定常跨声速粘性喷管层流,给出了计算结果,并与实验结果进行比较,证实了数值方法的精度和效率。     

斜切反喷管性能分析

固体火箭发动机前端斜切反喷管，其结构简单、作用时间短、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。本文从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，结合采用Ｂｏｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，利用时间相关法及ＭａｃＯｃｏｒｍａｒｋ两步显格式求解，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布相一致。该方法可应用于斜切反喷管的     

非定常喷流和尾腔流动的高分辨率数值模拟

导弹在运载器尾腔内的点火分离，涉及高温、高压气体在喷管和运载器尾腔内的三维非定常流动。采用分步显式和隐式ＮＮＤ格式对轴对称和三维多喷管非定常亚、跨、超混合喷流流场进行数值模拟，单喷管导弹的喷管流动和尾腔流动使用整体轴对称流动模型；对于多喷管导弹，喷管流动使用轴对称流动模型，尾腔流动为三维流动模型，喷管与尾腔流动间由边界参数进行耦合。算例表明，该方法能较好地捕获喷管和尾腔流动中的三维运动激波，计算结     

火箭水下发射复杂流场的近似数值模拟

本文对火箭水下直接点发射过程中，喷管内高温燃气的推进和气囊的形成、发展等流动演变过程提出了一类简化的模型，并进行了非定常粘性 可压缩流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的数值模拟。计算结果表明，简化模型的合理性，对水下火箭发射的流动过程分析具有一定的参考价值和一种应用价值。     

作为向量推力装置的非对称折转片式喷管的研究

本文应用速矢变换法并结合有限差分计算求解非对称二维收敛喷管可压缩流问题。用给定适当的流动参数,在速度图的范围内首先确定问题的解。然后以直接积分求得相应的喷管结构和局部流场特性,还提出了在某些约束条件下向量推力的性能与结构设计,为了验证起见,还进行了风洞实验以期获得沿喷管壁面的压力数据,结果表明理论数据与实测数据良好地吻合。     

固体火箭发动机喷管分离流动流固耦合数值仿真

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的分离流动,采用数值仿真方法进行分析,并与试验进行对比。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。耦合计算结果发现,此大膨胀比喷管发生气流分离,且分离处斜激波后的气流温度与压力变化较大,采用流固耦合数值方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境。耦合计算结果与试验进行对比得出,耦合计算得到的分离位置能很好地拟合实验测得的气流分离位置,说明了流固耦合数值方法的有效性,为更深入研究大膨胀比喷管分离流动现象提供了支撑。     

有加质和复杂几何边界内流场的实验研究

本文介绍了一种研究具有加质和复杂几何边界内流场的实验方法。针对这一问题,设计了两种实验装置:一种是模拟圆形通道内有加质的流动;另一种是模拟在不同雷诺数和不同潜人比下,喷管潜人段附近的流动.实验获得的加质内流场的分布规律与文献给出的实验和计算结果吻合较好.试验结果还表明,潜入喷管对燃烧室内流场的分布具有明显的影响.     

固体火箭发动机喷管瞬态流场特性分析

为准确预测某型固体火箭发动机喷管的流场特性,建立了发动机燃烧室-喷管一体化三维流场模型,考虑了上游流场-燃烧室对喷管流场的影响,应用有限体积法,仿真计算出了发动机点火启动过程中喷管内激波的存在及变化趋势,仿真结果与一维等熵函数理论分析结果相一致。结果表明,在发动机点燃初期,喷管内燃气呈现亚音速流动,随着时间推移,在喷管扩张段出现了一道激波,燃气流动出现壅塞,随着燃烧室内燃气压力升高,激波逐渐移出喷管,喷管内呈现超音速顺畅流动。     

火箭发动机高空模拟用无二次流引射器的实验研究

为确定真空舱——扩压器装置内喷管出口位置对起动压力比和舱压比的影响,进行了无诱导流的引射器的特性试验。用锥型和特性两种喷管,将一个不变直径扩压器与几种第二喉道扩压器组合成型面不同的引射器,研究了这些组合下喷管出口面位于扩压器区域及位于真空舱区域内的两种情况。用 Korst 流动模型,作了简单的分析,近似地解释了所观察到的这种真空舱压变化与喷管出口位置之间的相互关系。结果表明;当锥型喷管和扩压器相对位置合适时,引射器起动压力此和分离压力比的实验值与用 German 等人的方法得到的计算值基本一致。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

低喷吹比条件下发汗冷却对喷管传热和性能的影响

本文分析了发汗冷却对喷管中边界层变化、传热和性能的影响。试验采用了马赫数为2的型面喷管(Re/m=5.2×10~7),喷管采用不锈钢烧结材料(孔径为2.0μm)。试验中最大喷吹比为自由流流量的0.51%,压力和热通量测量响应很快。测量了壁面热通量和静压分布,以及喷管出口处的皮托压力型面。为了更直观地看到流动情况,还采用了阴影照相。最高喷吹比时传热减少14%,发现喷管出口边界层厚度显著增加,但喷吹对推力系数或比冲的影响很小。本文研究对发动机喷管采用发汗冷却优、缺点的认识具有一定价值。     

扩张半角对无喷管助推器性能的影响分析(英文)

用数值分析的方法研究了扩张半角对固冲发动机无喷管助推器性能的影响规律.研究结果表明,随着扩张半角的增大,比冲先增加后减小,扩张半角取22°可使比冲达到近优:这一结论与有关文献的实验结果基本一致;从流动损失方面考虑,在无喷管助推器设计中,药柱出口端面与冲压喷管之间不应出现台阶,应使扩张段连续地过渡到冲压喷管上.本文结论可为无喷管助推器的设计改进提供参考.     

水翼非定常空化流动中湍流模型研究

为了改进常规RANS方法中标准k-ε模型过渡预测流场涡黏性的问题,对几种标准k-ε模型的修正模型在空化流动的模拟中进行了应用评价,将修正后的湍流模型以二次开发的形式嵌入至商用CFD软件中,对某二维翼型表面空化流动进行了非定常数值仿真。结果表明:采用MFBM模型计算得到的翼型升力系数频率与实验偏差最小,达到0.6%;翼型表面非定常空化形态与实验结果最接近,具备最佳的计算效果。同时基于计算结果揭示了翼型表面非定常空化流动的产生机理,发现逆压梯度引起的反向射流作用导致空化云脱落,脱落后的空化云溃灭会改变翼型表面压力分布,造成空化云周期性脱落,进一步导致翼型升力系数周期性变化。     

固体火箭发动机燃烧室中的一维两相流动

本文详细讨论了固体火箭发动机燃烧室一维两相不平衡流动基本方程的数值求解方法,分析了粒子尺寸对燃烧室流场和压力——时间曲线的影响,并与燃烧室一维两相常滞后流动结果进行比较,得出了一些有用的结论。有利于准确预估压力——时间曲线和为喷管两相流动计算提供更精确的边界条件。     

三氧化二铝颗粒在喷管内的沉积

本文根据一系列复合推进剂固体火箭发动机的中止燃烧试验,提出了三氧化二铝颗粒在发动机喷管内的沉积计算模型,并通过轴对称喷管两相跨音速流场计算及喷管传热分析,预示喷管内的沉积规律及沉积对喷管壁内温度场的影响。预示结果与实验结果基本相符。文中还比较了燃烧室压力,推进剂中铝含量对沉积影响的实验结果和理论预示结果,它们也基本相符。