高空模拟试验舱中燃气流动过程的分析与计算

以一维等熵流动理论为基础,在充分考虑激波效应的情况下,分析了高空模拟试验舱中发动机燃气可能出现的两种流动过程,并计算了燃气流动过程的压力变化曲线,其结果为高空模拟试验舱的结构设计和真空机组的选配提供了参考。     

氮化铝陶瓷燃气舵仿真与试验

针对弹箭燃气舵轻量化问题,设计了基于高热导率氮化铝（AlN）陶瓷材料的新型燃气舵。为考察其可行性,建立了基于流固热耦合的非定常数值模拟方法,研究了氮化铝陶瓷燃气舵在不同舵偏角下的工作过程,并基于高温下陶瓷强度预测模型分析了燃气舵的抗热震能力。加工了氮化铝陶瓷燃气舵,开展了固体火箭发动机地面静态射流试验,并通过扫描电镜分析了试验结果。研究结果表明:数值仿真与试验结果基本一致,验证了数值模拟方法的有效性;对燃烧室总温为2284 K的固体火箭发动机,氮化铝陶瓷燃气舵可承受其燃气1 s内造成的最大机械冲击和热冲击;氮化铝陶瓷由于较高的热导率（理论达320 W/（m?K））,有远优于常规结构陶瓷的抗热震性能,是一种良好的小型燃气舵选材。      

氢气引导乙烯火焰非定常燃烧过程

基于脉冲燃烧直连式试验台,开展了超燃冲压发动机氢气引导乙烯火焰的非定常燃烧过程研究。燃烧室入口条件为马赫数2、总温950 K和总压1.0 MPa。试验过程分为4个阶段：冷流、引导氢气单独燃烧、引导氢气点燃乙烯、乙烯单独燃烧。基于高频壁面压力测量和火焰荧光高速摄影,获得了代表性测点的压力时间曲线及燃烧室内火焰发展历程,提取了压力平均值、振荡幅度和频率、着火时间及反应位置等重要信息,分析了不同燃烧阶段的非定常特性。试验结果表明：在氢气单独燃烧阶段,非定常特性源于凹槽后斜坡区域氢气反应强度的变化。在氢气点燃乙烯阶段,非定常特性由氢气和乙烯火焰的“交接”引起。在乙烯单独燃烧阶段,非定常特性由燃烧和超声速流动之间的耦合引起。     

固体火箭超燃冲压发动机燃气喷射燃烧数值仿真研究

针对固体火箭超燃冲压发动机燃烧室内燃料滞留时间短、与空气来流掺混困难,火焰稳定性差,颗粒燃烧效率低等问题.基于欧拉-拉格朗日方法建立了两相流动燃烧数值模拟方法,利用最小自由能法及能量、质量守恒定律进行一次燃气简化.基于某型带凹腔火焰稳定装置的固体火箭超燃冲压发动机模型,探究了不同燃气喷射角度、不同燃气喷射位置对发动机温升效率、总压恢复系数、凹腔性能、颗粒燃烧效率等参数的影响.结果表明该数值模拟方法具有较高的计算精度.研究发现增大燃气喷射角度可以提升燃料穿透深度,增加颗粒燃烧效率,但会造成总压损失升高;改变燃气喷射位置发现影响颗粒燃烧效率的原因不仅有颗粒的滞留时间,还包括颗粒所在区域的温度分布.     

火箭燃气喷流与弹体超声速绕流干扰流场数值分析

绕弹体的超声速气流与火箭发动机燃气喷流相互作用,在弹底部形成了复杂的干扰流场。应用四阶的ＭＵＳＣＬＴＶＤ格式,求解雷诺平均的Ｎ－Ｓ方程,对这一复杂流动进行了数值模拟,得到了流场结构随不同喷口压力比的变化规律。     

高温升燃烧室流动与贫油熄火过程的影响规律

为了研究高温升燃烧室在冷态和燃烧状态下的流动差异及其对贫油熄火过程的影响规律,采用粒子图像测速法（PIV）和高速相机对2种状态下流场结构及贫油熄火过程进行测量。结果表明：主燃孔和掺混孔射流与头部旋流存在相互作用,使得燃烧室流动处于自模化状态,其流场结构不随压损的改变而变化,但速度值随着压损的增大而提高;当量比的变化不会影响在燃烧状态下的流场结构,但影响速度值,且燃油喷射对头部流场存在一定影响;在冷态和燃烧状态下流场结构的差异最主要体现在局部回流区和气流速度上,燃烧状态下的轴向正速度约为冷态时的5～7倍,径向速度约为10倍;气流的流动方式对贫油熄火过程影响显著,在局部漩涡和垂直气流作用的区域火焰首先熄灭。     

超声速流动现象的水流模拟与仿真

根据流体流动控制方程组,研究发现明渠中的浅水波和气体中的扰动波具有相同的传播特征,因而可用直观形象的水流实验来模拟复杂的气体动力学现象。运用收缩扩张形实验明渠得到的水流实验结果与气体流场数值仿真结果具有良好的一致性,验证了明渠流模拟气体动力学现象的有效性。研究结果表明：拉瓦尔喷管中的马赫数M与同尺寸明渠中的弗劳德数Fr具有相同的变化规律;明渠中的超临界流通过楔形体和圆柱体时的流动现象可以比较理想地模拟出超声速气流在相应条件下的膨胀波和激波现象;通过改变出口外部水位的方式在明渠内形成的水跃波,可以非常形象地模拟出拉瓦尔喷管在相应条件下形成的管内激波。     

大扩张角涡轮过渡段非定常流动数值仿真

为进一步减小涡轮过渡段流动损失,深入了解涡轮过渡段中的非定常损失机理,开展了大扩张角过渡段研究。在过渡段的非定常流动机理研究中,过渡段进口流场的最显著特点是:转子泄漏涡、通道涡和尾迹。采用数值方法对大扩张角涡轮过渡段进行3维非定常数值仿真。结果表明:支板尾缘部分的静压波动小于支板前缘部分的;高压涡轮静子尾迹被转子切割后进入转子通道中向下游传播并在过渡段内形成尾迹通道,尾迹在过渡段内的时空演化是过渡段内损失的主要来源;过渡段支板表面负荷分布发生明显的周期性变化,支板表面承受较强的非定常力,在过渡段设计中必须考虑。     

氢氧燃气发生器低频燃烧稳定性仿真分析

针对某氢氧火箭发动机燃气发生器热试车参数存在约200～230 Hz较明显脉动的现象,建立了低频燃烧稳定性仿真数学模型,来分析是否发生了燃烧时滞相关的极限循环低频不稳定燃烧。不同燃烧时滞、喷注器压降和燃烧室容积条件下的仿真结果显示:由燃烧时滞引起的低频不稳定燃烧频率显著低于试验结果,试验中低频脉动可能是受到了供应管路声学频率的扰动。进一步分析表明:决定燃烧系统稳定性的关键参数是燃烧时滞与燃气停留时间的比值,当该比值大于临界值时系统趋于不稳定,相反系统趋于稳定。基于仿真数据拟合形成了系统固有频率计算的半经验公式,系统固有频率随着燃烧时滞与燃气停留时间之和增大而降低。获取了在不同压降占比下的稳定边界,随着喷注器压降占比的增大,系统由稳定转为不稳定的燃烧时滞与燃气停留时间的临界比值越大。      

LU-AUSMPW混合格式在可压缩无粘和粘性流动数值分析中的应用

本文首先将 AUSMPW格式与三阶 MUSCL格式融合, 给出了其在任意曲线坐标下的三维形式, 并将其与 LU-SGS格式结合, 应用于可压缩 Euler和 Navier-Stokes方程的求解。其次, 构造了一种新的通量限制器。最后, 为了验证 LU -AUSMPW混合格式的性能, 将平面叶栅跨音速无粘流动以及喷管超音速粘性流动作为算例。本文计算结果与文献计算结果和实验数据相符很好, 表明采用 LU-AUSMPW混合格式数值模拟可压缩流场, 具有较高的计算精度、较快的收敛速度和良好的稳定性。      

复杂构形的亚、跨、超音速定常及非定常气动力的Green函数算法综述

对亚、跨、超音速定常及非定常气动力的 Green函数算法作了简要回顾 ,包括该方法的基本原理、近年来在国内的发展及其在气动弹性和气动载荷计算中的应用等。算例表明该方法适用范围广、计算效率高且比较准确     

COMPACT FINITE VOLUME SCHEMES AND THEIR APPLICATIONS

ＣＯＭＰＡＣＴＦＩＮＩＴＥＶＯＬＵＭＥＳＣＨＥＭＥＳＡＮＤＴＨＥＩＲＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳＪｕＨｏｎｇｂｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ...     

旋转条件下大长径比固体火箭发动机三维内流场数值模拟

根据燃面的平行层推移原理,获得了某大长径比固体火箭发动机装药燃面变化过程。采用有限体积法计算了发动机在旋转飞行状态下的三维稳态流场,着重分析了不同时刻药柱开槽部分和燃烧室尾部的流速、流迹分布及其对发动机正常工作的影响,认为发动机尾部热防护以及药柱悬臂段强度是保证其正常工作的关键因素。     

基于动态非结构重叠网格法的直升机前飞非定常流场数值模拟研究

 发展了非结构重叠网格技术,提出适合于直升机旋翼运动的动态非结构重叠网格算法,该算法使得在采用非结构重叠网格模拟直升机流场时实现程序自动处理网格,不需任何人工干预。流动控制方程采用非定常可压缩Euler方程,空间离散采用Jameson有限体积法,时间推进采用双时间步长法,为加速收敛,在双时间步长内循环迭代中采用预处理技术。为验证本发展的预处理解算器以及动态非结构重叠网格的算法的可信性和有效性,开展一系列的数值实验,模拟了不同速度范围的NACA0012翼型绕流,Caradonna旋翼悬停和前飞流场以及Robin直升机机身-旋翼组合的前飞非定常流场,结果表明采用本文算法得到的结果是可信的,网格处理是自动高效的,可以应用于直升机全机流场模拟,为直升机设计提供可信指导数据。     

网格之间流场信息传递的高精度方法和验证

理论分析了插值方法引入误差的原因,提出一种利用时间推进方法和移动网格技术实现网格之间流场信息传递的思想,并构造计算方法。在介绍新的信息传递算法原理的基础上,根据三维情况下传递过程需要满足的时间推进步长稳定性条件,推导出最小推进步数的要求。最后,通过对激波诱导物体运动的非定常流动模拟,比较了信息传递算法和线性插值、加权最小二乘插值方法,计算结果表明,与插值方法相比,信息传递过程没有引入误差,能有效抑制非物理振荡,保持流场计算精度。     

一种新的动网格方法及其应用

 介绍了一种新型的动网格方法。该方法以Delauney图为基础进行整个网格的移动变形：首先是生成满足Delauney特性的Delauney图;然后把对网格移动的特性映射到Delauney图的移动上;最后把网格点在Delauney图以映射的方式进行重新定位而得到新的网格点坐标,从而得到移动后的网格。该方法不需要迭代,因而效率高,并且能适用于任意拓扑结构的网格。以翼身组合体的机翼颤振、翼身融合体的变体过程的非定常流动等为例来说明该方法的高效性及适用面广等特点。     

考虑喷流效应的机载导弹发射及气动干扰数值模拟

研究比较了机载导弹发射时是否考虑导弹尾喷流情况下导弹运动特性及机-弹气动干扰影响.通过动态结构嵌套网格技术实现了导弹运动的模拟,结合刚体六自由度运动方程求解三维非定常Euler方程得到流场信息.导弹推力由发动机燃烧室喷流计算得到;当不考虑喷流效应时,推力通过直接在导弹尾部给定非定常作用力实现.应用此方法模拟了基于类\"全...     

一种计算非定常二维流动的无网格算法

主要目的是发展一套求解非定常流动的无网格算法。计算区域的离散方面,提出了一种按区域进行填充布点的点云自动生成方法;发展了一种点云的运动技术来实现离散点云对物面边界的随体运动;在点云离散的基础上,采用最小二乘法求解矛盾方程的方法来求取空间导数,进而获得数值通量;采用双时间方法进行时间离散推进,其中物理时间迭代采用二阶隐式格式,伪时间迭代采用四步龙格一库塔显式格式,为了加速收敛,在伪时间迭代中采用了当地时间步长和隐式残值光顺等加速收敛措施。最后,利用本文算法模拟了NACA0012翼型和NACA64A010翼型的跨音速非定常流动,并将计算结果与实验测量结果进行了对比分析,验证了上述方法的正确性和实用性。     

微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

 用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。由N S方程的数值解提供速度场和压力场,从而得到涡量、气动力和力矩 (惯性力矩用解析方法计算 )。基于流场结构,解释了非定常气动力产生的原因;基于气动力和力矩,得到需用功率。悬停飞行中揭示出的 3个非定常高升力机制 (不失速机制,拍动初期的快速加速运动,拍动后期的快速上仰运动 )在前飞时仍然适用 (即使在快速前飞时,V∞ =2～ 2.5m/s,失速涡也不脱落 )。在低速飞行时 (V∞ ≈ 0.5m/s)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动,并主要由翅膀的升力贡献;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动,由翅膀的阻力贡献。在中等速度下 (V∞ ≈ 1.0m/s),升力主要来自于下拍运动,其中一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献;推力主要来自上挥运动,也是一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献。在快速飞行时 (V∞ ≈ 2.0m/s),升力主要来自于下拍运动,主要由翅膀阻力贡献;推力来自上挥运动,主要由翅膀升力贡献。悬停时,下拍和上挥做功同样大;前飞时,下拍做功较上挥大得多 :V∞ =0.5,1.0和 2.0m/s时,下拍做的功分别是上挥的 1.6,2.6和 3.5倍。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。