超声速/高超声速双拐点喷管设计

为实现直连式试验台、高温风洞等试验设备的多马赫数运行,提出了双拐点喷管设计方法.喷管分2段设计,第1段共用,采用3次B-Spline函数描述喷管轴线马赫数分布.首先采用特征线方法求解Euler方程,得到无黏的理想喷管型面.其次采用参考温度方法求解边界层位移厚度,对无黏壁面进行修正得到实际壁面.共用段喷管出口的平行均匀流作为第2段喷管设计的初值.为验证设计方法的可行性,设计了中间马赫数为3.0,出口马赫数分别为4.0,4.5和5.0的双拐点喷管,并采用雷诺平均的Navier-Stokes方程对设计的喷管流场进行数值模拟.计算结果表明:喷管出口流场均匀,试验菱形区的马赫数误差小于1.2%.该方法提高了喷管设计精度,保证消波干净,为直连式试验台、高温风洞等设备的多个喷管共用一套动力系统提供了基础.      

超音速喷管收缩扩张段匹配问题研究

超音速喷管由收缩和扩张两段组成,是高速风洞中获得超音速流动的重要部件。对于超音速喷管收缩段设计方法的研究较多,但尚未见到喷管收缩段的几种设计型面曲线如何与扩张段合理匹配问题的研究。针对以上的问题,利用CFD数值模拟方法对几种收缩曲线与扩张段匹配问题进行了计算。通过对计算结果进行对比分析,发现不同收缩曲线对超音速喷管内流有一定的影响,分析了流场特征,展示了马赫数在喷管内部的分布。     

超声速短化喷管的设计与实验研究

利用Bézier曲线构造轴向马赫数分布,采用特征线方法计算喷管壁面型线,结合跨声速理论,提出了一种实用的短化喷管设计方法。对设计制成的喷管进行流场校测,并与数值模拟的结果进行比较分析,结果表明:喷管内部膨胀均匀,出口流场品质很好,可用于超声速风洞以及其它对流场品质有较高要求的应用场合。     

超声速旋流器内气相流场的数值模拟

为了研究旋流对超声速喷管内流场的影响,在现有旋流器的基础上,通过简化模型而设计出一套前置式超声速旋流器装置,并建立不同旋流器下的三维几何模型,利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent,结合realizable k-ε湍流模型对气相流场进行数值模拟。结果表明：在保持入口总压恒定时,随着进气道数量的减少,气体在旋流器中产生的最大切向速度会增大,但不会改变喷管流动具有组合螺旋涡的特性;由于气体的角动量是以减小轴向动量为代价,切向速度的增大,导致出口截面处的平均轴向速度减小;入口总压增大时,气体速度与静温在收缩段的分布接近,在扩张段,气体速度和马赫数增大,而静温减小,并且切向速度在出口截面沿径向方向上呈现出几乎相同的分布。     

抛物线喷管型面参数对流动分离影响的数值模拟

为了研究抛物线喷管型面的3个参数——初始膨胀圆弧半径、入口角和出口角的变化对喷管流动分离过程的影响规律,模拟了不同参数组合下的抛物线喷管流场参数,获得了喷管流动位置、分离模态随集气室压强增加的变化过程.结果表明:这3个参数能够影响发动机起动过程中喷管流场的发展过程.在一定范围内分离模态转换喷管压比（NPR）与初始膨胀圆弧半径呈正相关;通过合理设定入口角和出口角,可以推迟和缩短受限激波分离过程,为解决彭冠侧向载荷问题提供了可能的方向.      

火箭发动机塞式喷管流场的数值研究

用时间相关法和张涵信的无振荡、无自由参数ＮＮＤ显式格式,对火箭发动机塞式喷管二维轴对称定常流场进行了数值模拟。计算得到了有粘和无粘中两种情况下,喷管流场的马赫数压强、温度、流线以及速度矢量分布图,计算网络采用代数方法生成,并通过求解Ｌａｐａｃｅ方程对网格进行修正。计算结果表明：ＮＮＤ格式用于计算塞式喷管流场具有较高的效率和良好的分辨率;无粘和有粘情况得到的流场结构有较大的差别;基础喷管的出口马赫数     

基于响应面法的火箭发动机喷管型面优化设计

针对已知某型火箭发动机的燃气参数,对比了维托辛斯基、双三次、五次曲线及基于维托辛斯基的移轴法设计的收缩段型面喷管性能,其中移轴法得到喷管性能较优;采用单一变量法计算分析了喷管型面参数(初始扩张段圆弧半径、扩张段出口半角、扩张段长径比、扩张段扩张角以及收缩段长径比)对喷管性能影响规律,喷管出口推力随着初始扩张段圆弧半径以...     

两相流喷管扩散段型面优化计算

本文论述了用两相喷管流动计算程序按直接优化法寻找两相流喷管最佳扩散段型面的方法,着重讨论了两相超音速流场计算中的网格结点、颗粒阻力系数和传热系数。算例中给出了抛物线、圆弧线和三次曲线喷管的计算结果。算例指出;喷管扩散段采用不同的曲线族,其最佳型面的初始膨胀角是不同的。      

密切内锥乘波前体进气道一体化设计和性能分析

采用特征线方法设计了具有直线初始激波、内收缩段消除激波反射、出口参数均匀可控的基准内锥流场。基于密切内锥(Osculating Inward turning Cone,OIC)乘波体设计方法,发展了密切内锥乘波前体进气道(Os-culating Inward turning Cone Waverider Inlet,OICWI)一体化设计技术。基于基准内锥流场和前体进气道一体化设计技术,设计了密切内锥乘波前体进气道。采用数值方法对设计的密切内锥乘波前体进气道进行了计算分析,结果表明无粘流场结构和基准内锥流场吻合,无粘模拟结果和理论设计结果吻合。粘性数值模拟结果显示一体化进气道具有较高的流量捕获率及总压恢复特性,进气道出口流场分布均匀。     

矩形风洞收缩段流场的计算和分析

本文结合西工大低速风洞设计进行了矩形三元收缩段流场的计算和分析,计算采用差分方法和贴体坐标,以AF1格式进行离散化并利用ADI方法求解。对三种常用的收缩曲线(即Witozinsky曲线,五次方曲线和双三次方曲线)的三元流场进行了具体计算和比较。计算结果正确反映了三元收缩段流动的特点,给出了流动三元性对壁面逆压梯度和出口均匀性影响的数值结果,表明本文方法是三元收缩段设计的有效分析和设计手段。     

矩形射流矢量喷管数值模拟研究

根据流场特性设计了1个矩形射流矢量喷管。提出了在喷管内加入射流,促使喷管主流速度增高、和形成出口矢量角的设想;采用FLUENT流体计算软件,对射流矢量喷管内的二维内流场进行了模拟,分析了喷管出口位置对射流矢量喷管内流场、推力、出口气流方向和总压损失等气动参数的影响,并分析了其在不对称射流情况下,对喷管射流位置与气流方向、推力和总压损失等气动参数的影响,确定了第2道射流的位置。     

三维收缩段设计问题

结合西北工业大学低速风洞的设计研究了矩形截面三维收缩段设计问题。用差分方法和贴体坐标对收缩段的不可压势流场进行了数值计算。选择三种常用的收缩曲线进行比较设计,对设计准则进行了校核,并给出收缩殴流动特性。通过优化的双三次曲线优于其他曲线。最后对三维收缩段设计问题提出一些看法。     

槽壁试验段低超声速流场特性数值模拟

 在跨声速风洞中通过开槽和抽气可以建立低超声速流场,由于槽壁试验段设计参数多,流场结构复杂,为提高设计准确性,通过数值模拟对槽壁试验段低超声速流场特性进行了研究。首先根据槽壁试验段的一般设计准则进行了气动设计,给出了槽壁尺寸和不同马赫数所对应的抽气量。基于设计结果,通过数值模拟对流场特性进行了研究,计算表明：通过抽气可以建立均匀的低超声速流场,抽气量对试验段马赫数均匀区长度有较大影响;随后对不同气动外形进行了比对,结果表明:抽气口位置、壁板厚度、驻室容积、开闭比及槽壁外形等对试验段的气流质量有影响,开闭比和槽型的影响尤为显著;最后对槽壁的通流特性进行了分析,探讨了槽型对试验段流场影响的成因。     

槽壁几何参数对跨声速风洞流场品质的影响

采用数值模拟方法研究了再入片开角、槽腔扩开角和开槽形状对跨声速槽壁风洞流场品质的影响。在数值模拟方面,介绍了对应的出入口边界条件设置方法,通过量纲分析得出适用于内流问题的相似参数。研究结果表明:再入片关闭工况下,其前缘处形成了声速喉道,难以建立稳定的试验段超声速流场;再入片打开工况下,试验段流场的不利扰动主要来自于从驻室到试验段的槽壁出流现象,其根源是驻室涡系产生的垂直于槽壁方向的冲击气流,较大的槽腔扩开角对冲击气流有一定的阻挡作用。槽壁各部件对试验段流场品质的影响均是通过增强或抑制槽壁出流来实现的,其中开槽平面形状的影响尤为突出。采用基于自由变形(FFD)的优化设计方法得到了适用于试验段马赫数0.8到1.2状态的开槽形状,优化结果显示初始构型中存在的槽壁出流大部分得到消除,模型区马赫数均方差降低了一个量级,证明了该方法的合理性与实用性。     

飞行参数对射流矢量喷管内流场影响的数值模拟

采用三维雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机燃气二次喷射矢量喷管内外流场进行数值模拟,研究飞行参数对矢量喷管内主/次流耦合流场的影响。结果表明,自由来流造成喷管出口附近压力变化,通过喷管内壁面附面层作用影响喷管内部流动特性。飞行马赫数为超声速,或者环境压强较低时,侧向力大小与飞行参数无关。在低空亚声速流中,侧向力随飞行马赫数增加迅速减小,随环境压强降低而减小。     

磁激等离子体超声速气流的瞬态加速系统及其实验研究

研制了基于激波风洞的热电离系统,设计了马赫数Ma=1.5的喷管和分段法拉第型实验段,并选用了合理的磁场及电场方案。采用氦气驱动氩气模式,通过在激波管低压段注入电离种子K₂CO₃粉末实现气流的热电离;压缩后的高温氩气启动喷管,以瞬态超声速导电流体形式通过实验段。实验结果表明:当激波管高压段压力为1.1 MPa、低压段压力为500 Pa时,喷管出口的超声速导电气流温度约为4 185.91 K,压力约为0.037 MPa;当电容电压为400 V、磁感应强度为1.0 T时,由实验段中间位置电极的放电特性可以估算出气流电导率约为78.1 S/m,单对电极输入功率约为9.46 kW;用感应电压法对加速效果进行初步评估,出口气流速度增加了29.3%,电效率为26.1%。     

微推偏火箭喷管非对称内流场数值模拟

研究了入流倾斜于喷管超音速段轴线的微推偏喷管内流场。数值方法是具有高分辨率高精度的三维隐式有限体积的ＴＶＤ格式。针对一系列典型锥形喷管和钟型喷管,数值模拟结果得出非对称内流场的侧向力和侧向力矩随喷管几何结构以及入流条件变化的一些特征,并同有关实验结果符合良好,对微推偏喷管设计具有一定的指导意义。     

准二维水下超声速垂直过膨胀射流研究

阐述了水下超声速气体垂直过膨胀射流的准二维实验研究和射流的数值计算结果。利用高速摄影仪在1000帧/s的拍摄速度下实时记录了过膨胀工况下水下垂直射流的喷射状态,清晰显示了水下气体垂直射流的演化过程;并利用专业软件FLUENT,对实验Laval喷嘴内外纯气相流场进行了数值计算,发现喷口附近存在复杂激波区,辅助分析了水下高速气体垂直射流的动态不稳定性形貌。实验与计算表明：在保持较小射流流量和保障较大马赫数的条件下,水下超声速垂直射流在水环境中引发的回击频率会得到减弱;准回击现象的发现证实了这一结论。这对于工程应用中的风口材料的＂空蚀效应＂的减弱提供了理论依据。     

超声速喷管性能优化研究与应用

基于重启全局最优化方法和高斯过程（GP）模型,以模型区流场指标为优化目标,对超声速喷管型面进行优化设计。给出0.6m连续式跨声速风洞流场测试结果,提出优化问题并验证了CFD计算的有效性。利用拥挤距离来控制重启局部优化算法的位置,实现更高效的重启全局最优化算法;利用高斯过程模型对喷管设计参数与模型区流场性能指标的关系进行建模,构造替代数学模型来执行优化搜索,以减少实际的CFD评估次数。结果表明:该方法能以较小的代价实现对喷管性能的优化,模型区马赫数方均根偏差由0.012降到0.001,马赫数梯度由0.049降到0。      

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.