基于CFD-DEM算法的固体火箭发动机气-固两相流模拟

针对固体火箭发动机中含金属推进体系中颗粒冲刷烧蚀及推力两相流损失的难题,基于连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型,考虑颗粒间的碰撞力与非碰撞力以及颗粒-气流作用力等,对固体发动机中气-固两相流进行了数值模拟研究。研究结果表明,相比于传统的双流体模型及轨道法,CFD-DEM能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹、颗粒间的碰撞、颗粒受力情况等等;以及粒子相与气相相互作用过程,粒子相与壁面相互作用等。粒子的碰撞在喷管收敛段壁面、喉部区域以及喷管扩张段中心区域发生,与壁面的碰撞在收敛段壁面位置,且颗粒在该区域角速度较大,气相-颗粒曳力最大值出现在气相加速区域。单个粒子尺度的流场数据为固体发动机气固两相流流场的认识提供了更加丰富的信息,并为粒子聚集聚合及对烧蚀层冲刷等提供研究基础。     

固体火箭发动机喷管气固两相流动的数值模拟

对颗粒相采用颗粒轨道模型,气相求解可压缩N-S方程组,计算方法采用显式Runge-Kutta时间推进法与有总变差衰减(TVD)性质的高精度MUSCL-Roe格式;自主开发了曲线坐标系下二维轴对称可压缩N-S方程组的解算器Solve2D,研究了固体火箭发动机喷管中颗粒相对流场的影响以及不同尺寸颗粒运动规律.结果表明:颗粒相对流场的影响主要表现在喷管喉部以及扩张段,和单相流场相比,沿轴线马赫数减小,且颗粒尺寸越小减少得越多;沿轴线气相温度升高,且颗粒尺寸越小温度升高越多;颗粒尺寸越小,无粒子区越小;颗粒越大与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大.      

潜入喷管北壁区流场影响因素实验研究

应用相位多普勒粒子分析仪（ＰＤＰＡ）对含潜入喷管、通道为矩形的固体火箭发动机准冷流模型内流场进行测量,研究了雷诺数和背壁空腔形状对背壁区流场的影响。结果表明,随着雷诺数增大气流分离点向下游移动,回流速度增大,椭圆形后封头、直线形喷管背壁构成的背壁区回流速度比圆形后封状、台阶形喷管背壁大。对于潜入深度大的喷管,气流在燃烧室壁面分离,背壁区形成强旋涡;而潜入深度小的喷管,分离点会后移至后封头上,在背壁     

潜入喷管背壁区流场影响因素实验研究

应用相位多普勒粒子分析仪 (PDPA)对含潜入喷管、通道为矩形的固体火箭发动机冷流模型内流场进行测量 ,研究了雷诺数和背壁空腔形状对背壁区流场的影响。结果表明 ,随着雷诺数增大气流分离点向下游移动 ,回流速度增大 ,椭圆形后封头、直线形喷管背壁构成的背壁区回流速度比圆形后封头、台阶形喷管背壁大。对于潜入深度大的喷管 ,气流在燃烧室壁面分离 ,背壁区形成强旋涡 ;而潜入深度小的喷管 ,分离点会后移至后封头上 ,在背壁区后部形成弱旋涡。     

星孔型装药发动机三维两相流场的数值模拟

为了研究颗粒在星孔型装药固体火箭发动机燃烧室和喷管中的运动轨迹以及颗粒与发动机壁面的碰撞情况,针对可压两相流动,采用了高雷诺数下的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方法进行气固耦合计算。计算得出了流场内两相的速度、温度等参数的分布及多种情况下固体颗粒的运动轨迹。在燃气生成量确定的情况下,从距离喷管较近的某些位置进入流场的颗粒比较容易撞击壁面;颗粒的尺寸和局部产生的旋涡对颗粒的轨迹和碰撞也会产生较大的影响。     

轴对称矢量喷管的气膜冷却及红外辐射耦合计算分析

为考察喷管壁面气膜冷却以及红外辐射特性对高性能航空发动机壁温分布的影响,对燃气红外波带的光谱特性采用窄波段模型计算,对壁面-燃气辐射采用封闭腔模型计算,对喷管收敛段的气膜冷却采用绝热温比计算。对于包含喷管壁面、隔热屏、套筒的多层结构传热建立壁温-热流耦合的热平衡方程,用Newt on-Raphson求解得到喷管及内外结构的壁温。对NASA TN D-1988中试验台架发动机喷管扩张段的气膜冷却及壁温进行验证计算,并详细计算了收敛段采用多排缝槽气膜冷却的轴对称矢量喷管。结果表明:气膜冷却有效降低了喷管收敛段的壁温,使得喷管扩张段成为受热严峻的部位;扩张段偏转改变了扩张段壁面温度和红外辐射的圆周分布,沿偏转方向的壁温和红外辐射都明显低于偏转反方向的,2个方向上的平均壁温相差约4.8%,喷管在后半球的辐射沿偏转方向增强。数值模拟结果与试验测量值吻合良好,可用于发动机喷管壁温分布精确计算。     

潜入喷管背壁区熔渣沉积的机理分析与数值模拟

为了探求固体火箭发动机潜入喷管背壁区中熔渣沉积的机理和预估方法,采用欧拉-拉格朗日法模拟两相内流场,采用随机轨道模型跟踪离散相轨迹,确定了燃烧室中粒子的直径分布和两种熔渣捕获判据,分析了不同壁面恢复系数对熔渣沉积计算的影响,计算得到的熔渣最小占Al2O3总生成量的0.201%,最大占到0.287%.与实验数据对比证明该预估方法是准确可靠的.     

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

二维缩比发动机实验器中旋涡运动的实验研究

针对固体火箭发动机的二维缩比实验器,搭建了高速摄影平台,利用示踪粒子的散射作用,采用连续片光流动显示技术,对流场中的旋涡运动进行了实验研究。实验结果表明：后向台阶处存在明显的流动分离,产生了旋涡。旋涡有规律地脱落,并在随主流向下游传播的过程中尺度逐渐变大;大多数脱落的旋涡撞击潜入式喷管潜入段发生破碎,其中一部分直接流出喷管,而另一部分进入潜入式喷管背区空腔内;少数脱落的旋涡由于大尺度旋涡运动的卷吸作用直接进入潜入式喷管背区空腔,而没有与潜入式喷管潜入段发生碰撞,研究结果可以提高对真实固体火箭发动机中流场的认识,并为数值计算方法提供实验验证。     

潜入喷管背壁区熔渣溢流沉积实验研究

利用X射线诊断系统，观察了固体火箭发动机热试车条件下潜入喷管壁区熔渣粒子的溢流过程。得到了实验条件下的潜入喷管背壁区熔渣生成沉积数据和图像，分析探讨了喷管潜入深度、喷管部面积对背壁熔渣生成和溢流过程的影响，为发动机的设计提供了实验依据。     

模型发动机内凝相颗粒碰撞的数值模拟

针对燃烧室内的高温液态凝相粒子,利用所建立的数学模型对聚集状态下粒子间的碰撞与聚合及其与发动机壳体之间的相互作用过程开展了数值分析,获得了收敛管内壁面上液膜厚度及从出口处逃逸的粒子直径分布,并和实验数据进行了比较分析。结果表明在发动机两相内流场计算中,将凝相粒子看成无蒸发的液滴更为合适;聚集状态下凝相粒子间的碰撞与聚合对粒子直径的分布有很大的影响;粒子和壁面之间的相互碰撞不但会导致大量小尺寸粒子的生成,而且也是收敛管内壁面上金属膜形成的直接原因。     

电场破乳分散相液滴行为研究

旨在为研究高效的复杂乳化液的处理技术提供理论基础,从微观角度研究电破乳机理,设计构建了适合本研究特点的电破乳分散相液滴行为观察系统,针对高压静电场中液滴的变形、破裂、碰撞、聚合及运动等行为进行了细致的实验研究,获取了大量液滴行为的珍贵图像资料,通过数据及理论分析探讨了影响液滴行为的主要因素,并从工业应用角度分析了其对电脱水工艺的影响,同时从乳化液系统的力学特性人手,通过受力分析初步建立了液滴形态的数学模型,并尝试进行了简单的数值求解。     

柱坐标系下准三维液滴撞击壁面的数值分析

液滴撞击壁面现象广泛存在于自然界与工程领域。为研究其运动特性,本文基于柱坐标系与VOF模型,对准三维液滴撞击固体壁面过程进行模拟。该方法实现了三维到二维的合理简化,模拟与实验结果较为吻合,铺展系数约为2.1。在此基础上,本文对单液滴撞击固体壁面过程进行了多工况模拟,模拟表明液滴在速度和直径较大情况下铺展系数较大。相反,在表面张力系数和接触角较大情况下铺展系数较小。最后,对双液滴相继撞击壁面的过程进行了模拟,发现液滴在铺展过程中出现了二次铺展现象,并探究了速度和液滴中心间距对铺展特性的影响。结果表明,双液滴在速度和液滴间距较大的情况下铺展系数较大。     

液滴碰撞聚合模型及其在喷雾燃烧流场中的应用

基于平滑粒子流体动力学方法的思想，建立了新的描述液滴间碰撞和聚合过程的数学模型，将相互碰撞的液滴局限在其周围一定数目的液滴之间，并对液滴间碰撞的概率进行了重新定义。数值计算结果表明：模型从根本上摆脱了O’Rourke模型对计算网格的依赖性，大幅度提高了计算效率和精度。在此基础上考虑液滴的变形、破碎及相变过程，采用Euler—Lagrangian方法和有限化学反应速率模型，对RBCC引射模态进行了三维两相喷雾燃烧流场数值模拟，并和实验数据进行了对比。结果表明：在RBCC自由引射模态，二次燃料喷射位置的适当后移会使燃料利用率提高，引射比增加，引射火箭推力增加。     

长尾喷管故障诊断中的两相流动计算

为了给长尾喷管故障诊断提供理论依据并提供改进措施,利用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长尾喷管两相流流场,得到了流场中温度和马赫数的分布和不同燃烧室总压下不同尺寸的粒子对喷管壁面的撞击情况,结果表明大尺寸粒子对直管段壁面的撞击位置存在一个集中点,这是造成喷管烧穿的重要原因。得出了总压越高粒子撞击壁面的次数越多、尺寸越大粒子撞击壁面的次数越多的结论,给出了提高长尾喷管热防护结构可靠性的一些措施。      

水下固体火箭发动机的推力特性

在微观层面上对火箭发动机射流结构变化对推力的影响规律进行分析研究.采用轴对称模型对不同工况下的二维发动机模型进行数值模拟,获取推力振荡曲线,并研究不同阶段的推力变化,探究推力峰值与断裂的对应关系及推力振荡幅值与频率随工作环境变化的关系.研究结果表明:推力振荡产生的原因是射流在激波诱导下产生周期性颈缩;由于胀股及回击破碎的作用,水下射流推力存在多阶频率峰值;根据胀股主要处于中频段的重要结论对前4阶频率的研究表明射流回击与胀股具有相关性.      

基于金字塔模型和L-M法的某固体发动机可靠性评定方法

固体发动机由众多部件组成,并且各部件的可靠性分布均不相同,若要全面评定发动机结构可靠性,则需要较大的子样数。因此,采用全尺寸、全系统试验来全面评定发动机可靠性的方法是行不通的。为了解决此问题,提出利用发动机的基础组件的可靠性数据,建立发动机系统的金字塔模型,再通过数据等效折算,将各组件不同分布的可靠性试验数据折算成成败型数据,采用L-M法综合评定了某型固体发动机可靠性。     

喷雾液滴撞击液膜影响参数及流动机理分析

液滴撞击壁面是喷雾冷却中最常见的现象。使用计算流体力学软件中的Volume of Fluid （VOF）模型对液滴撞击壁面过程进行了数值模拟研究,研究了不同参数的液滴撞击壁面液膜过程的水花形态特点,针对水花高度和直径等参数进行了分析,通过运动间断理论和无量纲参数Re和We的变化分析了不同参数对液膜的流动特征和水花形态的影响及水花产生机理。结果表明：大液滴撞击液膜时能够改善液膜的流动状态;过大的液滴速度会产生大量飞溅及表面干涸;液滴撞击薄液膜时,液膜的流动性较好,当0.6<h*<1.2时,液膜的流动性不随液膜厚度改变。     

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究。初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布。研究表明：射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀。     

壁面湍流模型对湍流分离流动数值模拟的影响

本文用三种近壁湍流模型计算了二个二维的湍流分离流动：单包流动和多包流动。结果表明：二层模型和低Reynolds数模型具有类似的特性。它们基本上给出合理的分离流动结构。壁函数的方法由于对数律的假定基本上不适合于计算湍流的分离流动。