塞式喷管三维流场的数值模拟

从曲线坐标下的三维平均雷诺的N-S方程出发,并用k-ε两方程湍流模型封闭方程组,采用二阶精度的精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式),发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序,并对线性塞式喷管和瓦状塞式喷管在不同落压比下的三维流场进行了数值模拟研究.结果较好地预示了塞式喷管的三维流场特征,并且显示瓦状塞式喷管除了圆柱形结构比平板更能承载外,其塞锥压强分布可以进一步改善其受力情况.     

塞式喷管热试实验和数值模拟

以气氢／气氧为推进剂,对三单元直排塞式喷管发动机进行了热试实验和数值模拟研究.介绍了实验系统及实验发动机主要零部件的结构和设计参数,给出了实验参数测量结果、实验照片和数据分析.数值模拟研究了塞式喷管的流场特点,数值预示了实验塞式喷管发动机的高度特性曲线.无再生冷却塞式喷管发动机采用耐烧蚀材料钨渗铜加工内喷管和燃烧室内衬,碳钢材料加工塞锥.使用爆震波点火器点燃多个单元推力室,成功进行了热试实验.在2个压比下获得了塞式喷管性能数据,实验表明,塞式喷管具有良好的高度补偿能力和较高的喷管效率.在C_NPR=50附近,效率达到92％~93.5％;在C_NPR=350附近,效率达到95％~96％.预计在设计点的效率不低于98％.      

单元二维直排塞式喷管冷流实验

为研究塞式喷管的高度特性和底部特性,采用高压空气为工作介质对单元直排塞式喷管进行实验.研究了底部盖板、底部二次流对性能的影响和塞锥壁面压强分布.实验结果表明:无底部盖板可提高塞式喷管低空性能2%~7%;底部二次流可提高底部压强,减少底部开闭状态转变过程带来的推力突降;底部二次流流量以1%~1.5%为宜,过大将引起喷管性能下降.本实验喷管设计点效率均超过99%,部分实验接近100%,高度补偿效果明显.     

塞锥截短对塞式喷管性能影响的实验

为了研究塞锥截短对塞式喷管性能的影响,对截短率为80%、40%、30%和20%的塞式喷管进行了冷流实验.介绍了实验系统的组成和推力测量方式,得到了不同塞锥截短率的推力系数效率的高度特性曲线.实验结果表明:截短率越小,效率越低,不同截短率的效率差别随着压强比的增加而减小;随着截短率增大,截短率对效率的影响程度逐渐降低.截短率太小,性能损失较大;截短率太大,塞锥的尺寸增大,而性能提高却不明显.通常的取值范围是30%~40%.      

外流对塞式喷管流场和性能的影响

在四个不同高度上选择有代表性的外流马赫数,计算和对比了不同外流下塞式喷管性能的降低和塞锥表面的压强分布,数值模拟研究了外流对塞式喷管流场和性能的影响.结果表明,外流造成的性能损失主要体现在运载器底部阻力增加和塞锥表面压强降低两方面.在中低空以下,运载器底部推力和塞锥推力均随外流马赫数的增加而减小,飞行中外流对性能的影响随高度的增加而减弱,从低于设计点的某一高度开始塞锥推力不再受外流影响.低马赫数亚声速外流时,性能损失随外流马赫数的增加成近似线性增加;跨声速外流时,性能损失突然出现较大幅度增加;在继续的超声速范围内,性能损失随外流马赫数增加只有小幅增长.      

气动塞式喷管实验与数值模拟研究

提出了塞锥型面设计的特征线法及示例结果,得出了侧喷管粘性跨音速和超音速内流场数值计算结果,及塞锥外流和尾流的Euler方程解,总结了塞式喷管工作特性的固体推进剂燃气模拟实验系统、实验结果及主要结论.塞式喷管火箭发动机是一个复杂而有挑战性的研究方向,对于发展新一代先进天地往返运输系统有重要作用.      

塞式喷管性能损失分析

影响塞式喷管性能的因素是多方面的,为了明确各种损失对其的影响程度,根据塞式喷管的工作特点,通过建立的塞锥壁面压力分布的简化模型,初步分析了这些因素,比如摩擦损失、化学非平衡损失、截短损失和底部损失等.结果表明,由于塞锥长度的截短所引起的截短损失和底部损失是影响塞式喷管性能的主要因素.为了减小由此所带来的性能损失,应通过实验和数值模拟的方法着重研究气流在塞锥上和底部的流动特征,并且在设计的过程中应该考虑这些因素,以降低其对性能的影响.     

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

基于有限体积法和SNBCK模型的红外辐射特性计算

耦合求解流场、组分浓度场、基于SNBCK模型的气体辐射传输/能量方程以求准确模拟飞行器排气系统气动热力及红外特性.窄带模型参数由HITEMP逐线计算数据库计算得到.通过CO₂4.3μm波段吸收率计算,圆柱炉膛辐射换热特性计算两个算例验证了所采用程序求解辐射传输/能量方程的准确性.最后计算了两种二元喷管的红外特性,结果表明大宽高比二元喷管地面和空中状态红外辐射特性差异巨大.     

气体二次喷射矢量喷管三维流场计算

采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型对气体二次喷射推力矢量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟.比较了在不同喷射参数和不同喷管落压比NPR(Nozzle Pressure Ratio)下的流场特征,分析了这些参数对矢量偏转效率和推力系数的影响.结果表明,二次流喷射位置、喷射角度和二次流质量流量对矢量角的影响相互耦合,喷管达到最大矢量角时,各参数并不能同时达到各自的最优值;矢量角越大,推力系数越小,推力损失越大;矩形喷射口的推力矢量性能优于圆形喷射口;减小喷管落压比可以提高矢量偏转角度.     

环境压强对气动塞式喷管底部压强的影响

为了了解环境压强对塞式喷管底部压强的影响,利用隐式NND格式(Non-oscillation, No free coefficients Dissipative scheme)求解二维层流N-S方程,计算了在没有底部二次流和二次流质量流率为1.4%的情况下,不同环境压强时的底部压强.结果表明,随着环境压强的升高,底部压强也在增加,但在闭尾迹时增加缓慢,在开尾迹时,增加迅速,并可能出现波动.      

氢氧谐振点火器多室同步点火研究

将气动谐振点火技术应用于塞式喷管发动机多推力室的多次同步点火,研制了新型的氢氧谐振点火器. 通过对点火器的点火响应时间、点火延迟时间、多次点火的重复性以及点火器寿命等方面进行试验研究,验证了新研制的点火器具有起动快、点火延迟时间短、多次点火重复性好、寿命长等特点.采用2个点火器联试的方式进行了5次同步点火试验,研究了连接管路对同步性的影响,并提出了进一步缩短同步性时差的方法,结果表明氢氧谐振点火器完全可以满足塞式喷管发动机多推力室同步点火的要求.