喷管分离流动的数值模拟

针对高空喷管地面试验时产生流动分离的现象,用Ｂｅａｍ －Ｗａｒｍ ｉｎｇ 近似因式分解法求解薄层Ｎ－Ｓ方程,对分离流场进行数值模拟。预示了分离点的位置以及喷管壁面压强分布等,可以为高空发动机地面试车提供参考, 并为进一步研究分离的影响因素打下基础     

脉冲爆震发动机喷管流动的数值模拟

为了研究喷管形状及充气状况对脉冲爆震发动机推进性能的影响,发展了基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积程序,对影响脉冲爆震发动机推进性能主要过程进行了数值模拟,计算结果和相应的实验结果较为一致。锥形喷管的算例表明,不仅锥角对喷管性能有重要影响,而且同一锥角下喷管内的充气状况对喷管性能也有重要影响。在喷管内充空气情形下,爆轰波进入喷管后迅速衰减为激波,扩张管道的超声速膨胀使得喷管壁面压力显著下降,从而削弱了喷管提高脉冲爆震发动机推进性能的作用。在喷管内充燃气情形下,爆轰波进入喷管后可一直维持到喷管出口,显著提高了脉冲爆震发动机的推动性能。     

圆柱谐振腔微波等离子推力器的理论计算

采用耦合求解Maxwell方程、Navier Stokes方程和Saha方程的方法,完成了圆柱谐振腔微波等离子推力器(MPT)的理论计算研究。研究结果表明,MPT稳态高效工作的前提是耦合进入谐振腔内的微波功率与工质气体流量(或腔内压强)应合理匹配,并通过1kWMPT的地面与真空实验,初步验证了理论研究结果。理论与实验研究表明,圆柱形MPT原理可行,研制出的样机实验系统启动可靠、工作稳定。     

塞式喷管冷流实验和数值模拟研究

开展了塞式喷管冷流实验和数值模拟研究。实验模型采用直排的点膨胀构型，实验测量了两种塞体长度的塞式喷管在不同压比条件下的表面压强分布，拍摄了典型工况下流场的纹影照片。数值模拟采用二阶NND格式求解二维N-S方程，计算得到的壁面压强分布与实验结果吻合较好。通过实验和数值模拟验证了塞式喷管高度补偿特性，得到的结论为塞式喷管设计和性能预报提供了依据。     

微波等离子推力器真空实验研究

微波等离子推力器(MPT)具有寿命长、效率高和比冲高的特点，具有广泛的应用前景。通过对MPT真空实验系统，以及中(-lkW)、低(-l00W)功率MPT结构的介绍，重点论述了MPT在真空环境下的启动和稳定工作特性，并对实验结果进行了分析和讨论，给出了MPT初步性能参数。实验结果表明，在30W-lkW功率范围内，MPT真空环境下启动可靠，工作稳定；氦气(He)的比冲远高于氩气(Ar)的比冲。     

谐振腔隔板对微波等离子推力器特性的影响

为了探索微波等离子推力器谐振腔内电介质隔板对腔内电磁场及谐振频率的影响规律，用时域有限差分法（FDTD）和离散Fourier变换（DFT）法，对内有隔板，谐振模式为TM011模的谐振腔电磁场及谐振频率进行了数值分析，计算结果表明，隔板的存在不但使腔内轴向电场强度减小，而且使腔的谐振频率向低频方向偏移，隔板厚度愈厚，引起的轴向电场强度的减小和频偏愈大，这些结论为谐振腔隔板的设计，选材，以及谐振腔的设计和调谐提供了理论依据。     

影响喷管流动分离的因素

应用 Beam- Warming近似因式分解方法差分求解薄层 N- S方程 ,对某型发动机在多种工况下的分离流场进行计算。结果表明 ,燃烧室总压与环境压强的比值控制分离点位置 ;对于相同的喷管扩张段型面 ,喷管面积比对分离位置的影响小 ;扩张段较长的喷管分离点面积比较小     

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。     

电弧喷射推力器化学非平衡数值模拟

为了准确把握电弧喷射推力器工作过程物理机理与特征,采用化学非平衡模型对不同压缩室直径下低功率氮电弧喷射推力器工作情况进行了数值模拟。模型考虑了工作过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分,4反应的有限速率化学反应模型。采用二阶精度NND格式数值求解耦合电磁源项和化学反应源项的N S方程组,采用有限控制容积积分方法求解由麦克斯韦方程组推导出的电磁场方程。数值模拟的结果揭示了推力器内部电弧能量输入作用和高温电离气体的离解电离状况,给出了不同压缩室直径下推力器的推力、比冲和推进效率。结果分析表明,压缩室直径对推力器性能具有较大影响。     

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。     

塞式喷管流场数值模拟

采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式,从考虑к－ε湍流模型的理想气体三维薄层近似Ｎ－Ｓ方程出发,对塞式喷管内外流场进行了数值模拟。计算结果与国外文献十分一致。通过流场分析,对塞式喷管流动机理有了清楚的认识。计算表明ＮＮＤ２Ｍ差分格式及相应计算软件适合于模拟复杂喷流流场,可用于塞式喷管发动机的研究。     

长尾喷管两相流流场计算

为了给长尾喷管热防护结构的烧蚀和温度场计算提供准确的热边界条件，从二维轴对称N－S方程出发，采用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长层喷管纯气相流场和两相流流场，分析和比较表明：在长尾喷管喉部附近以及扩散段的相同轴向位置，两相流情况下轴线上的燃气马赫数小于纯气相情况下的燃气温度；在进行长尾喷管热防护结构设计时应以两相流流场作为热边界条件。     

姿控发动机喷管内流场的DSMC并行算法

在分析了直接仿真Monte-carlo（DSMC）方法内在并行度的基础上，针对工作站群机并行系统（NOWS）分布主存的特点，构造了适合于DSMC仿的并行算法模型，在PVM环境下将其应用于姿控发动机喷管内流场的DSMC仿真，结合并行算法效率评价准则对如何提高并行计算效率进行研究。仿结果表明了实施DSMC并行计算的必要性与有效性。     

霍尔推力器内部等离子体流场数值分析

建立以宏观电中性、不同种类粒子间滑移流动为基本假设的一维多流体简化模型，构造了相应的数值计算方法，用于分析霍尔推力器(亦称稳态等离子体推力器，简称SPT)的加速器通道内部物理过程。在适当边界条件以及适当模型常数条件下，能够获得无论在定性还是定量上都与实际比较接近的收敛的稳态解。结果显示，电势降落集中在出口附近，离子加速过程与该电势降落一致；在通道前半段电离比较剧烈，而在出口附近趋于平缓，出口电离度接近80％；由于焦耳加热作用，电子从出口截面向阳极漂移过程中，其温度由初始的约10eV首先提升到接近60eV的峰值，该峰值出现在离出口约1／3通道长度位置上；随后，由于越来越多的能量损耗于电离过程，到阳极附近电子温度降至约25eV。受其中的一些假设所限，本模型不能反映一些特殊区域和某些比较重要的物理过程，同时能够收敛的条件也受到了限制。     

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

C-H-O-N体系液体火箭发动机喷管流场数值模拟

采用弱耦合点隐式方法的MacCormack格式对C－H－O－N体系的液体火箭发动机喷管粘性流场进行了数值模拟，采用了考虑化学反应和不考虑化学反应的两种模型，其中化学动力学模型为C－H－O－N体系的12组分、14反应有限速率的化学反应模型。数值模拟得到了流场参数在喷管中的分布，结果表明，数值模拟结果与理论分析一致，为发动机的设计及试验提供了参考。     

复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟

研究了球面收敛矩形扩张的二元喷管（ＳＣＦＮ）流场的数值模拟,为了有效地捕获激波与滑流面及较好地模拟分离,采用了Ｒｏｅ格式、ＭＵＳＣＬ方法及Ｖｅｎｄａｔａｋｒｉｓｈｎａｎ限制器、Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ方程紊流模型。研究中给出了两个喷管模型四个流动状态的数值模拟结果。结果表明,除了有严重分离的流动情况以外,该算法能得到相当满意的计算结果。     

多重网格加速的LUSGS算法用于喷管流场数值模拟

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用独特的显式算法克服了两方程湍流模型刚性对流场计算收敛速度的影响,并给出了该方法的理论依据。通过轴对称喷管内流场、二元喷管内外流场的数值模拟验证了采用以上方法在计算效率上的提高。最后将RNG模型计算结果与SA模型计算结果及实验数据做对比分析。