Numerical investigation on gas–particle flows in horizontal channel under the reduced gravity environments

A unified second-order-moment gas–particle two-phase turbulent model incorporated with kinetic theory of granular flows (USM-θ) is developed to study the particle dispersion behavior of dense gas–particle flows in horizontal channel with 6.96 μm wall roughness and with earth, lunar and microgravity environments, respectively. Anisotropy of gas and particle two-phase stresses and the interaction between two-phase stresses are fully considered by constructing two-phase Reynolds stress model and the transport equation of two-phase stress correlation. The flow behavior of particles in a horizontal channel of Kussin and Sommerfeld [12] experiments is numerically simulated. Results show that the reduced gravity conditions affect the particle concentration distribution, particle velocity and fluctuation velocity, particle temperature, axial–axial fluctuation velocity correlation of gas and particle and particle collision frequency. Under microgravity conditions, particle temperature and collision frequency are much less than those of earth and lunar gravity. Compared with earth gravity, anisotropic of two-phase flow and sedimentation are weaker.     

飞行过载下燃烧室凝相粒子沉积特征数值研究

固体发动机燃烧室部分凝相粒子在飞行过载作用下产生沉积,严重影响发动机工作性能。通过确定燃烧室粒子参数和建立燃烧室内两相流场数值方法,获得了发动机不同轴向过载下粒子运动及沉积规律。与试验数据进行对比分析,验证了计算方法的准确性。数值结果表明,随着轴向过载增大,后封头及喷管潜入段粒子沉积质量逐渐增大。沉积粒子粒径大于凝相粒子平均值,即粒子粒径越大,越容易沉积。轴向过载增大,减小了粒子在发动机内部的驻留时间,凝相粒子平均驻留时间均大于0.13 s。     

Laminar dust flames in a reduced-gravity environment

The propagation of laminar dust flames in suspensions of iron in gaseous oxidizers was studied in a low-gravity environment onboard a parabolic flight aircraft. The reduction of buoyancy-induced convective flows and particle settling permitted the measurement of fundamental combustion parameters, such as the burning velocity and the flame quenching distance over a wide range of particle sizes and in different gaseous mixtures. Experimentally measured flame speeds and quenching distances were found in good agreement with theoretical predictions of a simplified analytical model that assumes particles burning in a diffusive mode. However, the comparison of flame speeds in oxygen–argon and oxygen–helium iron suspensions indicates the possibility that fine micron-sized particles burn in the kinetic mode. Furthermore, when the particle spacing is large compared to the scale of the reaction zone, a theoretical analysis suggests the existence of a new so-called discrete flame propagation regime. Discrete flames are strongly dependent on particle density fluctuations and demonstrate directed percolation behavior near flame propagation limits. The experimental observation of discrete flames in particle suspensions will require low levels of gravity over extended periods available only on orbital platforms.     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超音速空气流的补燃室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

旋转条件下固体火箭发动机燃烧室气-固两相湍流流动数值模拟

以不可压Ｎ－Ｓ方程为基础，在旋转相对坐标系中，采用贴体坐标和ＳＩＭＰＬＥ法，对给定结构的旋转固体火箭发动机燃烧室诬蔑一中气－固两相湍流流动进行了数值模拟。不同时刻燃烧情况的计算结果表明：旋转对固体火箭发动机燃烧室燃气流动结构的影响随着燃烧肉厚而退移而显著增强；在发动机药柱的前翼燃烧消失后，前封头开口区域的气－固两相切向涡开始为得热烈，切向涡的分布呈现Ｒａｎｋｉｎｅ特点，在发动机前开口区域涡的固synw     

铝镁推进剂固冲发动机两相燃烧数值模拟

针对铝镁推进剂中心进气固冲发动机,湍流模型采用Reynolds应力方程模型,气相燃烧采用涡耗散模型,两相流采用颗粒随机轨道模型,铝颗粒燃烧采用Brooks燃烧模型,对二次燃烧和流动进行了三维、两相和化学反应流场数值模拟,对比和分析了冲压空气与一次燃气无旋、同向及反向旋转3种工况下补燃室燃烧流动特性及燃烧效率,并对不同工...     

Simulation of rocket plume and lunar dust using DSMC method

When lunar modules land on the Moon, dust impingement on the lunar module components and deposition on the thermal and optical surfaces would cause many serious problems. The emphasis of this research is on simulating the interaction of rocket plume and lunar dust using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. The method is extended to model the movement and collision stages of rarefied plume gas and dust particles, including three collisional mechanisms: molecule–molecule, molecule–particle and particle–particle collisions. The reflection of gas molecules on the particle surface is computed by an indirect approach based on the coordinate transformation. Neighboring-cell contact detection scheme is applied to check for contacts between all possible particle pairs. The simulation results show that the acceleration of dust particle is mostly determined by the parameters of plume field. In the computational regions with larger gas density and velocity the particles can be accelerated to larger velocity and convected to higher temperature.     

微型固体姿控发动机微喷管内气粒两相流动规律的CFD-DSMC研究

微型固体姿控发动机在航天领域具有广泛的应用前景。以基于MEMS技术的微喷管为研究对象,首先通过计算微喷管中的克努森数,得到了微喷管中的气相流动状态;然后,采用CFD-DSMC方法,模拟了微喷管中的气粒两相流动,并研究了颗粒相质量分数和粒径对气相流动的影响。结果表明,在所研究的来流条件下,微喷管中的连续介质假设是成立的;气相与颗粒相间的动量和能量交换,导致气相马赫数降低、温度升高,同时也导致颗粒相速度增加、温度降低;颗粒相质量分数和粒径均能显著影响气相的马赫数和温度。     

气?面相互作用对均匀加热微梁系统中稀薄气体流动特性影响的数值研究

在微型设备和宏观尺度的真空环境中，非均匀温度场会引起稀薄气体流动，且浸没在气体中的结构会受到辐射力。文章采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法结合Cercignani-Lampis（CL）气?面相互作用模型，研究法向能量调节系数（NEAC）和切向动量调节系数（TMAC）对一对冷热微梁周围稀薄气体流动特性的影响。研究结果表明，流场结构、传热特性、压力分布和辐射力特性对表面调节系数的变化高度敏感——在单独改变冷梁表面调节系数的情况下，辐射力随着NEAC的降低呈近似线性增加，随着TMAC的降低呈非线性减小；在同步改变冷梁和热梁表面调节系数的情况下，辐射力随着TMAC的降低呈非线性增加，随着NEAC的降低呈先减小后增大的趋势。研究结果可作为设计、制造MEMS器件时的选材参考，以获得尽可能大的辐射力。     

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

运用离散颗粒模型对固体火箭发动机及尾焰两相流进行了一体化仿真,得出了各燃气组分和Al2O3颗粒的流场参数分布.通过建立固体火箭尾焰红外辐射模型,计算出了二维轴对称尾焰的光谱辐射亮度.研究表明,颗粒辐射起着主导性作用,颗粒尺寸越小,在4.3 μm波长处气相辐射作用越明显;燃烧室内燃面颗粒速度越大,尾焰辐射越弱;颗粒尺寸越大,颗粒辐射越强,但随燃面颗粒速度增大,辐射降低越快.所得结论与相关文献数据一致,表明计算模型和方法可行.     

双燃速星孔药柱长尾喷管发动机三维两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日两相方法模拟了带长尾喷管的固体火箭发动机三维两相内流场。在同位网格基础上用有限体积法离散N-S方程,采用不完全LU分解预处理B iCGStab算法求解线性代数方程组,通过可压缩SIMPLE算法求解气相流场。用PSIC方法进行气粒耦合计算,得到了气粒两相的速度、温度等参数的分布以及不同尺寸的A l2O3粒子运动轨迹。计算结果表明,在发动机工作初期气粒两相流场呈现强三维特征,长尾管中后段、喷管收敛段以及燃烧室后封头等部位是烧蚀最严重的部位。     

冲蚀条件下炭布橡胶绝热层烧蚀实验与计算

开展了冲蚀条件下一种炭布橡胶类绝热材料的烧蚀实验,研究了颗粒浓度和冲蚀速度对该绝热层烧蚀的影响规律。实验结果表明,实验条件下冲蚀速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素;冲蚀速度较低时,即使颗粒浓度很高,烧蚀率也不是很大。在实验基础上建立了一种基于炭化烧蚀模型的烧蚀计算模型,即首先根据实验数据建立冲蚀状态与炭层厚度之间的关系,然后采用传统的炭化烧蚀模型进行烧蚀计算,计算结果与实验结果在一定程度上较为吻合。     

卫星定位误差椭球的几何特征研究

在卫星导航定位的误差分析中,准确估计定位误差椭球的几何特征有利于更好的描述定位精度,为估算定位精度参数提供依据。本文研究卫星定位中误差椭球的轴方向、轴长和轴比。通过分析精度衰减(Dilution of Precision, DOP)矩阵的特征向量和特征值,分离其中的三维定位部分和与钟差有关部分,构建了定位误差椭球的理论模型,并给出误差椭球轴方向、轴长和轴比的计算公式。结合GPS星座,在全球范围内选取8个有代表性的地点对该模型开展仿真分析,表明该理论模型可以准确的描述定位误差椭球的几何特征,误差椭球的轴方向、轴长和轴比与模型给出的理论值非常符合。同时,利用8个地点中2个地点附近的IGS测站秒级实测数据进行定位解算,对定位误差椭球进行了分析,结果表明测站误差椭球诸参数的理论值与实测结果基本一致。     

Hybrid methods for determining time-optimal,constrained spacecraft reorientation maneuvers

Time-optimal spacecraft slewing maneuvers with path constraints are difficult to compute even with direct methods. This paper examines the use of a hybrid, two-stage approach, in which a heuristic method provides a rough estimate of the solution, which then serves as the input to a pseudospectral optimizer. Three heuristic methods are examined for the first stage: particle swarm optimization (PSO), differential evolution (DE), and bacteria foraging optimization (BFO). In this two-stage method, the PSO-pseudospectral combination is approximately three times faster than the pseudospectral method alone, and the BFO-pseudospectral combination is approximately four times faster; however, the DE does not produce an initial estimate that reduces total computation time.     

SST二方程湍流模型在高超声速绕流中的可压缩修正

为模拟高速可压缩湍流问题,对剪应力输运（SST）湍流模型进行了可压缩修正。数值格式采用改进的总变差减小（TVD）格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隠式处理。在此基础上计算了绕平板以及基本无分离和具有分离流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果和实验数据及半经验公式的对比表明：SST湍流模型的可压缩影响项为密度加权脉动速度的平均与压力梯度的标量乘积。经可压缩修正后的SST湍流模型与原模型及其它可压缩修正模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布具有更高的精度。     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

对欧空局轨道碎片模型的评价

文章评价了颗粒大于1cm的碎片模型,它包含大于10cm的一组粒子和介于1～10cm之间的粒子,它们是由空间暴露模拟得到的。接着讨论了尺寸范围介于0.1～10mm之间的小粒子束流。假定这些粒子主要是由小粒子与卫星碰撞产生的。这种碰撞主要发生在450～500kin的高度范围内(空间站高度),碰撞与否还取决于轨道高度和离心率。     

计算模拟月壤颗粒吸收及散射特性的一种球叠加模型

针对模拟月壤复杂的外形特征以及多相非均质的微观结构,提出了一种计算模拟月壤颗粒吸收及散射特性的球叠加模型。根据模拟月壤颗粒的形状指数和分形特征识别结果,归纳了4种主要的模拟月壤颗粒类型,并采用蒙特卡罗光线跟踪法研究了这4种颗粒在单色平行光照射下的吸收及散射特性。与已有的非球形颗粒辐射特性的算法比较显示,该模型具有良好的计算准确性。在数值计算的基础上,分析了颗粒尺度参数及光学常数对其自身辐射特性的影响,并通过改变平行光照下的光线入射角度,分析了非球形颗粒的朝向对其自身辐射特性的影响。由计算结果推断,该模型不仅可以应用于计算模拟月壤颗粒的辐射特性,还可以满足其他适用于几何光学近似的非球形粒子。     

高压金属软管应力及参数敏感度分析

某型号发动机热试车考核中高压金属软管多次出现破坏。通过建立软管有限元模型,采用非线性有限元分析了软管应力分布和各部分承载特点,判断波峰处轴向应力是影响软管结构强度的主要因素,有限元计算结果和试验破坏部位一致,表明有限元模型的合理性。在此基础上,通过参数化建模、设计中心复合实验和进行参数敏感度分析,得出影响波峰处最大轴向应力的敏感参数,为结构参数优化提供了依据。     

旋成体模型仪器舱脉动压力空间相关特性研究

为揭示跨声速阶段仪器舱附近脉动压力的空间相关特性,以某旋成体模型为研究对象,基于风洞试验获取了仪器舱附近脉动压力载荷分布规律,计算了测点间的脉动压力空间相关系数。通过曲线拟合与归一化处理,获得了模型仪器舱脉动压力空间相关特性曲线,并研究了攻角、马赫数与雷诺数对空间相关性的影响。结果表明,该模型仪器舱脉动压力空间相关特性具有波动与衰减的特点,随着流动复杂程度的增加,其相关性逐渐降低。同时,在跨声速范围内,该模型仪器舱脉动压力空间相关特性对马赫数以及较高的雷诺数比较敏感。对脉动压力空间相关特性的研究,为飞行器结构响应分析以及载荷环境预示提供了支撑。