锥柱型装药固体火箭发动机两相内流场中颗粒运动的数值模拟

研究锥柱型装药固体火箭发动机(SRM)燃烧室和喷管的内流场具有重要的工程意义。针对某型发动机各工作时间下的不同情况,采用高雷诺数下的k-ε湍流模型和欧拉-拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC气固耦合计算方法,对其内流场进行了三维两相一体化计算。最后给出了流场内部分颗粒运动的轨迹图像及颗粒与壁面碰撞的一般规律。在不同的时间下,不同尺寸的颗粒会撞击壁面不同的位置,但主要集中在壳体与喷管的相接部分和喷管的收敛段。局部的旋涡也会对颗粒的运动以及颗粒的碰撞沉积、聚集等造成较大影响。     

固体火箭发动机喷管两相流动计算

采用MacCormark格式与特征线法联合的方法求解了固体火箭发动机喷管两相流场。在跨音速段,气相控制方程用基于MacCormark格式的时间相关法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解;在超音速段,气相控制方程用MacCormark两步显格式空间步进求解,粒子方程仍采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,两相充分偶合。在控制方程中考虑了三氧化二铝颗粒的相变。最后对JPL喷管进行了计算,并讨论了不同质量分数对流场的影响。     

水反应金属燃料发动机三维两相燃烧数值模拟

用三维湍流N-S方程及颗粒轨道模型描述水反应金属燃料发动机内部喷雾两相湍流燃烧过程。通过耦合求解气液两相流模型方程,得到发动机燃烧流场。通过模拟Mg与水的反应,分析比较了一次和二次进水方案的不同流场特性。研究结果表明,二次进水方案更有利于火焰稳定和提高燃烧性能。     

固体火箭发动机喷管内气粒两相流动的CFD-DSMC模拟

气相采用Jameson中心差分格式和显式Runge-Kutta法求解可压缩的雷诺时均N-S方程,颗粒相采用DSMC方法描述,采用PSIC耦合算法模拟了JPL喷管中的气粒两相流动,得到了气相和颗粒相的参数分布规律.结果表明,流场中颗粒相含量越高,颗粒相对气相的阻碍和加热效应越显著,导致气相马赫数降低、温度升高；在相同颗粒...     

航天器发动机羽流对敏感器热效应仿真研究

采用差分求解N-S方程与DSMC方法相结合的方法,研究了航天器单台发动机连续工作情况下真空羽流对航天器敏感器的热效应。首先通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场,然后应用DSMC方法对喷管出口外轴对称羽流场进行计算,最后将轴对称羽流场计算结果作为模拟粒子入口边界条件,在并行计算机平台上进行三维羽流场和热效应计算得到航天器单发动机连续工作情况下羽流场对敏感器的热效应。以两个敏感器为例,对仿真结果进行了分析和比较,并得出了相应结论。     

翼柱型药柱对发动机内流场及喷管收敛段烧蚀影响分析

对具有翼柱型药柱结构的某固体火箭发动机内流场进行了三维两相流数值模拟,分析了发动机的内流场特征以及发动机工作过程中药型变化对内流场的影响,同时就翼柱型药柱结构对喷管收敛段绝热层烧蚀影响进行了分析。结果表明,发动机内流场呈现明显的周期对称特征,收敛段对应药柱翼槽部位的燃气速度及Al2O3粒子浓度明显高于周边位置;两相流中燃气速度及Al2O3粒子浓度的周期分布,导致喷管收敛段烧蚀也呈现周期分布的规律,对应于药柱翼槽部位收敛段绝热层烧蚀量明显大于非药柱翼槽对应部位的烧蚀量。     

基于稀薄气-粒两相流的蒙特卡洛颗粒辐射模型研究

在气-粒两相相变模型及液态和固态颗粒碰撞、聚合和分离模型的基础上,发展稀薄条件下考虑颗粒辐射的蒙特卡洛颗粒辐射模型。通过对高超声速稀薄环境中的气-粒两相喷流流场的数值模拟,得到气-粒两相流的流场参数,利用所得流场参数作为颗粒辐射模型的初始参数进行颗粒辐射计算,同时考虑了有无探照发射时的光谱辐射强度。结果表明,在颗粒浓度较大时计算两相稀薄流的流场参数,考虑颗粒辐射是必要的,并且考虑有无探照发射对光谱辐射强度数值的影响。     

发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

针对火箭发动机尾焰注水流场,组织并实施了火箭发动机系留点火及燃气流场注水降温缩比试验,研究了燃气冲击射流流场和注水作用下两相流场的分布状态以及降温效果。并通过研究在高温高速对流冲击作用下气液两相流的传热和传质理论,在Mixture多相流模型的基础上添加质量和能量源项,建立了多组分气液两相流非定常数值计算模型,通过对比试验结论,结果表明：所建立的数值计算模型具有较高的计算精度和可靠性,能够准确地反映物理现象。利用数值计算模型研究了注水后燃气、液态水和水蒸气三种主要组分在流场中的组成,通过与自由射流对比得到了注水燃气流场的包络线长度与宽度变化,注水对燃气流场降温效果显著。     

燃气源控制气流绝热热流数值模拟

提出了一种新的求解复杂稳态全速度统一流场的方法,即先采用PISO算法计算一假想的非稳态流场用以获得一时间点上的流场参数分布,然后将这一时间点上的流场参数作为初场,用SIMPLE算法进行稳态流场的计算,进而得到较满意的收敛结果。用这种方法计算了某燃气源控制气流在假定固体壁面为绝热边界的条件下的三维热流流场,得到了流场的各参量分布情况,并与冷流的计算结果进行了比较分析。     

用空间推进算法模拟高超声速进气道流场

在有限体积法框架下，采用空间推进算法SSPNS（Single-Sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）求解抛物化NS方程（即PNS方程），在流向采用LU—SGS隐式积分，而横向无粘和粘性通量则分别采用AUSM系列格式和中心格式计算。用该方法对1个二维高超声速进气道和2个三维高超声速进气道流场进行了数值模拟，得到的流场波系结构、壁面压力及传热系数分布与文献中相关数值解和实验数据基本一致，表明SSPNS法能够准确地模拟超燃冲发动机进气道内的高超声速流动。对比研究表明，SSPNS法与求解FNS（Full Navier＼lStokes Equations）方程的传统时间迭代法相比，二者计算精度相当，而SSPNS计算速度快1～2个量级，存储量至少低1个量级。本文的研究为CFD在超燃冲压发动机部件及一体化优化设计中的集成，以及大型高超声速工程流动的高效计算，打下了良好的基础。     

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。     

固体火箭发动机燃烧室喷管统一流场计算

采用ＳＩＭＰＬＥ算法的可压缩形式求解固体火箭发动机燃烧室喷管内的全速度统一流场;在非交错的配置网格基础上用有限体积法离散Ｎ－Ｓ方程,采用强隐式算法（ＳＩＰ）求解线性代数方程组;采用边界标志法实现复杂几何形状下的多区域统一计算;采用喷管外型逼近法保障计算稳定性;通过与同类计算结果的对比表明：上述算法的组合能够成功地获取固体火箭发动机内流场的整体结构。     

随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用

应用随机轨道模型对喷管内气-固两相流动进行了数值模拟,结合实验测量结果对使用随机轨道模型和确定轨道模型两种方法的计算结果进行了对比分析,研究了不同固相参数(固相质量比和粒子平均直径)下的固体火箭发动机喷管性能。研究发现,随机轨道模型对实际流动现象的模拟优于确定轨道模型,随着固相质量比和粒子平均直径的增加,喷管两相流损失增加,冲量系数下降。     

双股气流对流体控制矢量喷管的影响

利用有限体积法求解三维雷诺平均N-S方程,对激波诱导矢量控制方案下的二元收敛-扩张喷管全流场进行了数值模拟,同时与试验结果进行了对比,进一步讨论了开孔位置对喷管矢量性能的影响。研究表明,要获得较好的矢量性能,必须减小壁面反射激波的作用,因此应该调整开孔位置使得第一道斜激波延伸至喷管出口附近;严重过度膨胀状态下,较好的双股气流方案下喷管获得的矢量效率要优于单股气流方案;而在设计状态附近,两种方案下获得的矢量效率和推力损失基本相同。     

高温固体颗粒气动阻力系数数值计算

在发动机喷管的气粒两相流场中,金属颗粒阻力的准确计算对整个流场的模拟有着重要作用.而高温颗粒与周围气相的传热会改变气相的性质,进而影响颗粒的气动阻力.采用k-ε湍流模型和强化壁面处理方法,计算了雷诺数Re在0～10 000范围内,颗粒与气相不同温差情况下球形单颗粒的气动阻力系数.颗粒温度升高,颗粒所受的气动阻力随之增加,但是增加的幅度随Re的增加而减小;根据计算结果,拟合了以颗粒雷诺数为自变量的高温颗粒气动阻力系数的计算公式.通过与低Re下的实验数据的对比,验证了所拟合公式的适用性和可信性.     

两相流环缝塞式喷管理想型面的设计方法

目前固体火箭发动机塞式喷管没有成熟的理论设计方法,设计方法需考虑两相流因素和极限粒子流线的几何约束。在常滞后两相流假设下提出改进的Angelino理想型面法设计两相流环缝塞式喷管,证明了常滞后两相流中的普朗特-迈耶函数关系式,并给出了最终设计公式。用F luent软件计算了改进法设计的喷管型面性能。算例结果表明,与未考虑两相流效应的纯气相理想型面相比,该法设计的型面长度缩短近33%,推力增大约1%,证明了提出常滞后两相流假设的合理性及改进法设计两相流环缝塞式喷管的有效性。     

某固体火箭发动机点火启动过程三维流场一体化仿真

以某固体发动机的燃烧室和喷管为一体化研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动过程中燃烧室和喷管内燃气的流场特性。发动机药柱上的着火点最初出现在药柱星角尖上,然后向四周扩展;在药柱点火初期,燃气压力波先于火焰峰到达喷管;随着燃烧室内燃气压力升高,压力沿轴向分布逐渐平缓;当喷管进口压力与出口背压比达到某一值时,喷管扩张段内出现一道激波,随着压力比的升高,激波最终移出喷管,燃气流速在喷管出口处达到最大值。     

固体火箭发动机潜入和非潜入喷管内流场模拟及对比

利用FLUENT流场计算软件,对采用潜入和非潜入喷管的全尺寸固体发动机,采用二维轴对称模型和准定常方法进行了内流场模拟计算和对比分析.结果表明,喷管潜入结构可有效地降低发动机后封头壁面附近的燃气速度,从而比非潜入发动机有更好的热防护环境;两种发动机在燃烧室内压强、速度和温度分布大致相同,非潜入喷管发动机在喷管出口轴线处燃气速度比潜入喷管发动机的大,而温度和压强较低.     

非轴对称斜切喷管内流场数值模拟

应用有限体积法建立了三维守恒型N-S方程组的数值求解器,对某非轴对称斜切喷管内流场开展了数值模拟计算,研究了斜切角度变化时引起的发动机推力及推力线偏转角变化。研究结果表明,在相同总压、总温条件下,喷管质量流量及发动机推力随斜切角增大而呈线性趋势减小,推力线偏转角在斜切角为0°时最大。