火箭发动机喷管非定常侧向力和流固耦合研究进展

为了提高现代火箭的运载性能,发动机趋于采用大面积比喷管。然而,大面积比喷管由于低空高背压会产生过膨胀现象,导致喷管内部流动分离的非定常和非对称特性,并且发生显著的侧向载荷问题,巨大的侧向载荷又引起喷管的流固耦合现象。总结了喷管流动分离的研究现状,阐述了不同时期喷管侧向载荷的研究目标及成果,并分析了引起喷管侧向载荷的因素。在侧向载荷分析基础上,进一步分析了喷管流固耦合问题的研究进展及方法,最后指出了所存在的科学问题,剖析了喷管侧向载荷设计的关键力学问题,并对今后喷管侧向力问题的研究方向提出了设想。     

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。     

喷管分离流动与侧向载荷定常数值模拟

利用商业CFD软件,进行了三维、有粘、定常计算,模拟了某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动.计算了多个不同入口总压下的工况.其结果预示了该喷管的分离流动在不同入口总压下的激波模态变化,并获得了非对称分离及其造成的侧向载荷的分布情况.计算为进一步相关研究打下了基础.      

侧向膨胀对单边膨胀喷管性能的影响研究

为研究侧向膨胀规律的变化对单边膨胀喷管性能的影响规律,运用三次曲线参数化方法给定不同的侧向膨胀规律,基于准二维特征线法设计得到相应的带侧向膨胀的三维非对称喷管构型,结合CFD计算结果,分析了直侧壁和曲侧壁两类侧壁型线对喷管性能的影响规律。为验证数值模拟方法的可靠性,选取具有10°膨胀角的直侧壁喷管进行风洞试验,数值模拟结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:在给定的设计条件下,侧向膨胀角为6°时直侧壁喷管性能最优,该膨胀角可使喷管长度减短34.05%。侧向膨胀在保证喷管推力性能的同时,对减短喷管长度、减轻喷管重量具有重要意义;曲侧壁喷管侧壁面产生的推力变化趋势与整个喷管构型产生推力的变化趋势一致;"凸曲线"侧壁型线初始膨胀角较大,更有利于提高三维尾喷管的推力性能。     

火箭喷管内三维非对称流场的数值模拟研究

利用特征线方法数值模拟了双圆弧和抛物线两种特型喷管中的三维非对称定常等熵的超时速流场。计算出的喷侧向力数据与实验结果吻合。沿喷管轴线方向，侧向力曲线具有明显的摆动特性，且在轴线上存在着零点。     

带侧向膨胀的三维非对称喷管设计和性能分析

针对带侧向膨胀的三维矩形截面非对称喷管,提出了一种基于准二维特征线法的喷管设计方法,获得了基于准二维特征线法的非对称喷管设计程序.然后,根据给定的几种侧向膨胀规律,通过该设计方法获得了相应的非对称喷管构型,并将该构型与通过优化算法获得的最优构型进行了比较,结果表明:两种方法所设计的非对称喷管的上、下壁面型面基本重合,喷管壁面压力分布趋势基本一致,验证了准二维特征线法的可靠性.与最优构型的性能相比,该方法所设计的喷管构型,推力偏差低于0.60%,升力偏差低于8.07%,且该设计法将设计耗时由30.5h减少到2h,可方便地应用到带侧向膨胀喷管的初期设计中.      

减弱喷管侧向力的变形喷管技术研究

为了改善大面积比过膨胀喷管的侧向力问题,提高火箭发动机喷管的整体性能,提出一种变形喷管抑制侧向力的技术方案。以VOLVO-S1喷管扩张段壁面为基本研究模型,通过在Y轴方向施加一对对称作动力后,使得喷管扩张段壁面沿X轴方向的各截面由圆形变为椭圆形,以此来改变喷管的面积比和流道特性,从而实现减小侧向力的目标。运用求解雷诺平均N-S方程的数值方法,对上述变形喷管的流场变化开展了相应研究,结果表明:在施加一定大小作动力后,喷管出口面积减小约0.98%,变形后的喷管相比于原喷管在推力损失较小的情况下可以将Y方向侧向力的峰值降为原来的60%,同时可以使得Z方向的侧向力峰值降为原来的一半。此外,变形喷管在落压比为15.2~15.3期间发生自由激波分离向受限激波分离的转换,相比于VOLVO-S1喷管的激波模式转换会有所延迟。最后分析了变形喷管的方案导致侧向力降低的原因。     

全机模型大迎角侧向力控制的实验研究

研究和验证了在风洞模型试验雷诺数为70万情况下,在大迎角细长旋成体头部安置非定常小扰动激励器来控制非对称流动从而控制侧向力的技术.利用大迎角细长旋成体非对称流动的主动流动控制技术,在DBM-1全机模型大迎角状态下,以很小的能量输入为代价得到了可控的侧向力和偏航力矩.     

航天器用侧向力气源装置供气特性的研究

传统的直接侧向力一般是由燃气发生器提供,在国内由燃气瓶提供侧向力有很多缺点,并且极易造成爆炸,容易干扰航天器的电磁信号的收发。所以本文尝试采用小型气瓶提供侧向力,对比了负载为直孔、节流片和拉瓦尔喷管的情况下侧向力的大小以及氮气和氩气的供气时间。结果表明,拉瓦尔喷管由于其特殊结构,起到显著增加侧向力的作用;在相同负载的前提下,氩气的供气时间比氮气的有所增加。     

超声速喷管中激波分离诱发流场对称破缺的机理及其控制

为减缓或消除侧向力,开展了流动分离诱导流场对称破缺的机理研究。采用有限体积二阶迎风插值格式及k -ε湍流模型,数值模拟了某型超声速喷管的地面试车过程。详细分析了喷管内部的流场结构,着重讨论了喷管壁面附近出现的激波分离模式由自由激波分离到受限激波分离的转换过程。为了降低低空高背压条件下过膨胀喷管的侧向力,着重研究了喷管不同长径比、扩张比条件下的流场特性和流动分离模式。结果表明:在激波模式转换过程中能够诱发出极大的侧向力,改变喷管构型可以改善流场结构。适当缩短长径比和扩张比可以有效降低侧向力。长径比为105时将产生4 000 N以上的侧向力,而当长径比为095和115时,侧向力不超过20 N;当扩张比为539时,侧向力峰值达到4 000 N以上,而缩小扩张比到45时,侧向力明显下降。     

大迎角细长体侧向力的比例控制

介绍了一种新的大迎角细长旋成体侧向力的比例控制技术。通过在细长旋成体头部施加非定常小扰动,可以对细长旋成体非对称背涡的非对称程度进行比例控制。风洞试验研究结果表明,该控制方法能以很小的能量输入将大小和方向随机变化的侧向力加以精确控制;不仅可以控制侧向力的方向,也可以连续改变侧向力的大小,使其变成有利于飞行控制的气动力和力矩,达到变不利为有利的目的。     

扩张段注气对扩张型双喉道喷管起动的影响研究

扩张型双喉道喷管存在起动问题,使喷管推力性能显著下降。为此,提出了扩张段注气解决喷管起动问题的方案,并利用数值模拟方法,针对二元扩张型双喉道喷管,研究了扩张段注气压比、注气位置等对喷管流动和性能的影响。研究结果表明：扩张段注气可以产生斜激波系和大的分离区,改变了扩张型双喉道喷管主气流通道的形状,减小了激波损失,解决了喷...     

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。     

双喷管发动机喷流对飞行器气动特性的影响

从三维薄层近似N S方程出发 ,采用高效ENO差分格式 ,对位于弹体中部两侧的双喷管发动机喷流与马赫数Ma∞ =0 7～ 0 9、攻角α =0°～ 10°飞行条件下弹体绕流形成的干扰流场进行了数值模拟。研究发现与无喷流情况相比较 ,引入喷流使升力和俯仰力矩增加 ,压心后移 ;在飞行攻角一定时 ,马赫数对飞行器气动力特性影响较小 ;有侧风干扰时 ,喷流增强了航向稳定性。对零攻角情况喷管安装和喷管出口不对称带来侧向力和偏航力矩也进行了研究。计算结果与飞行实验观测现象定性一致     

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。     

发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷试验

为了获得大面积比喷管在发动机起动/关机过程中的侧向载荷,搭建了喷管侧向载荷冷流试验系统,通过测量应变管感知的喷管侧向载荷和通过加速度传感器感知的喷管振动载荷,分析发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷的变化规律。试验表明:试验喷管在发动机起动/关机过程中均存在3个峰值侧向载荷,起动过程中分别对应着初始正激波向稳定自由激波分离的转变过程、自由激波分离向受限激波分离的转变过程以及分离激波结构处于“末端振动状态”,关机过程则恰好相反,而且关机过程相对起动过程的峰值侧向载荷发生压比存在一定的迟滞效应;喷管壁面的周向应变对侧向载荷非常敏感,而壁面轴向应变却基本不受喷管侧向载荷的影响;喷管侧向载荷是激励喷管振动的主导因素,并在试验喷管发生“末端振动效应”时,振动加速度峰值达到最大为80g。      

超音速来流中侧向喷流干扰流场的数值模拟

通过求解三维可压缩N S方程组,对尖锥/圆柱组合体模型在超音速绕流中的侧向喷流干扰流场进行了模拟,数值方法采用有限体积法,差分格式采用NND格式。分析了干扰流场的结构,研究了干扰效应对气动性能的影响,得到来流Ma∞=3 3和4 5时力放大因子和干扰力矩系数随攻角变化的规律,计算结果与实验一致。     

二元保形非对称膨胀喷管流场特性

利用数值模拟方法对一种与无人飞行器后体一体化设计的二元保形大宽高比非对称膨胀喷管在地面状态的流场特性进行了研究,获得了尾喷管推力性能和三维流动特征随落压比的变化趋势.结果表明:虽然二元保形非对称膨胀喷管沿横向存在非等强度膨胀,但在研究范围内最佳落压比仍主要取决于上方短膨胀面结束位置面积与喉道面积之比;沿横向不等强度膨胀...     

头部和后体对钝头体侧向力的影响

钝头体大迎角飞行时会出现随机的非对称流动现象,引起不确定的较大侧向力,进而使其偏离运行轨道。通过在钝头体头部施加人工扰动块可以固定其大迎角下的非对称流场结构,得到确定的侧向力,以利于改善钝头体的大迎角飞行特性及机动性。本文讨论了在头部人工扰动块主控流场结构的基础上,模型后体对侧向力影响的存在性问题,在迎角为50°、雷诺数为1.54×105的条件下,利用实验对周向角为90°和270°、子午角为10°的扰动位置的球形扰动主控下的侧向力影响因素进行了研究。发现钝头体大迎角下的非对称流动结构在头部主控的基础上,后体对非对称流动的影响不会消失,且其为影响头部扰动主控作用的重要因素。尽管模型后体的影响不会改变钝头体头部对于流场结构的主控地位,但会影响头部扰动控制的精准程度。所以在通过钝头体头部施加扰动进而得到确定的侧向力的同时,还需要减小模型后体对流场的影响,对其结构和加工质量进行优化,以更好地通过人工扰动主控流场结构。     

二元保形非对称膨胀喷管流场特性研究

利用数值模拟方法对一种与无人飞行器后体一体化设计的二元保形大宽高比非对称膨胀喷管在地面状态的流场特性进行了研究,获得了尾喷管推力性能和三维流动特征随落压比的变化趋势。结果表明：虽然二元保形非对称膨胀喷管沿横向存在非等强度膨胀,但在研究范围内最佳落压比仍主要取决于上方短膨胀面结束位置面积与喉道面积之比;沿横向不等强度膨胀诱发的二次流及旋涡流动能够增强环境冷流与喷流之间的掺混;在研究的落压比范围内,随着落压比的增加喷管的推力性能变化很缓慢。