固体火箭发动机燃气射流流场和声场数值计算

燃气射流噪声是固体火箭发动机工作过程中的主要噪声源之一,射流流场的参数对其产生的射流噪声有重要影响。通过大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟,随后在合适的声源面中,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了燃气射流噪声声压级的空间分布。计算结果表明,随着喷管尺寸增大,超声速射流核心区变大,喷口流场波节数增加,对喷管尾流场的影响域扩大,其产生的射流噪声也增强;燃气射流噪声辐射有较强的指向性,在射流轴向30°角方向噪声声压级最大,与相关文献中的试验结果比较吻合。研究结果可为后续固体火箭发动机降噪设计提供参考。     

多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性可视化研究

为研究高空多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性的可视化计算,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型的三维N-S方程描述尾焰流动过程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,采用PISO算法对多喷管动力系统尾焰流动过程进行求解,得到了尾焰流场的各项参数分布.在此基础上,运用气体辐射传输方程和SLG模型对不同方向观测面上接收到的尾焰辐射照度进行计算,得到尾焰在不同方向上的辐射特性分布,进而实现尾焰辐射特性的可视化计算.计算结果表明:高空助推器尾焰的辐射特性要明显强于芯级,其中喷管出口处尾焰的辐射特性最强,最容易被发现和识别;尾焰辐射特性的可视化计算可以有效捕捉到尾焰流场的结构,从而为尾焰的红外追踪与预警研究奠定基础.     

低空多喷管发动机喷焰红外特性研究

对多喷管火箭发动机低空尾焰的红外辐射特性进行了研究.基于热流法建立了喷焰红外传输计算模型,数值模拟了四喷管发动机尾流场2～5 μm光谱的红外特性.获得了光谱、波段辐射强度仿真数据及红外仿真热像,并与单喷管喷焰的红外特性进行了比较.考察了不同的喷管间距、探测方向、飞行高度对喷焰表观辐射强度的影响.结果表明,多喷管尾喷焰红外辐射光谱选择性与单喷管相似,但光谱峰值无线性关系;对于低空四喷管发动机尾喷焰,红外特性随喷管间距增加有所增强,随飞行高度增加,喷焰红外辐射强度提高.     

火箭发动机气动噪声辐射特性实验研究

在小型火箭发动机点火实验的基础上,利用噪声传感器测量了发动机燃气射流气动噪声在各个方向上的声压级.获得了超声速射流气动噪卢的辐射特性.实验结果表明:(1)噪声遮蔽对发动机超声速射流气动噪声有明显的降噪效果;(2)曲面型噪声遮蔽出口的降噪能力要好于平面型出口.     

斜喷管燃气射流气动干扰数值模拟

导弹飞行时，由发动机喷出的高温高速燃气射流对周围的空气流场产生强烈的扰动作用，从而影响导弹的空气动力特性，但由于燃气射流的存在，采用实验方法对燃气射流气动干扰进行估计有很大难度。本文采用三维流场数值模拟方法，模拟导弹弹体中部斜喷管燃气射流和空气耦合流场，对斜置喷管燃气射流空气动力干扰进行了研究。结果表明：斜置喷管燃气射流的存在，使导弹气动力的阻力增大，升力降低。     

喷管射流流场及噪音的数值模拟

利用大涡模拟(LES)对喷管超音速高温射流流场进行了三维非稳态数值模拟,根据流场的湍流特性确定声源,选取积分面,利用FW-H方程计算远场观测点的声强,最后与相关文献中的试验结果进行对比.结果表明,该方法得到的计算结果与试验结果较吻合,但由于网格限制,远场的高频声谱存在一定的误差.     

环喉型塞式喷管的数值仿真研究

通过流场数值仿真计算方法对环喉型塞式喷管进行了研究,对比计算了不同外流条件下塞式喷管的流场结构和性能.分析表明该塞式喷管的结构方案独特,具有稳定的高空高速性能,与传统的钟型喷管相比低空性能更优异.     

四喷管射流流场的数值模拟及分析

本文分析了ENO格式的特点，并应用于全NS方程的迁移项和压力项，模拟了三维射流，首先计算了四喷管射流干扰流场，给出了相应的计算结果，指出了其四股射流外部有形成类似一股射流波系的趋势，而内部四股射流始终存在并相互作用，且伴随流对内部干扰流场有重要影响；然后计算了四股射流流入圆管内的流场，给出了壁面和截面物理量的分布，分析了其拓扑结构。     

空气加热器声学振荡特性的数值计算

为研究空气加热器的声学振荡特性并为其设计和后续的试验方案提供借鉴,对空气加热器不同喷嘴位置处的喷雾火焰形成的声学振荡进行了数值仿真,重点研究了多个离散点处的不稳定特征以及燃烧室内的流场演化过程。仿真结果捕捉到了燃烧不稳定的典型特征,如起振、线性增长、稳定极限环;非稳态流场直观地展示出喷注面板中心位置处的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成二阶横向声学振荡,并且这种振荡形式具有从喷注面板向喷管入口传播的行波特征;离面板中心53.6mm的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成一阶横向声学振荡,这种振荡形式没有明显的行波特征。     

一种大面积比喷管的分段式设计与数值分析

为了满足大推力上面级发动机大面积比喷管的设计需求,采用了排放冷却前段和单壁辐射冷却尾段的分段式设计方案。在排放冷却前段传热计算的基础上,通过对内流场进行数值模拟,重点研究了单壁尾段在引入上游排放冷却气氢情况下的冷却特性和喷管效率。结果表明:对于大面积比喷管,采用带二次流的单壁金属喷管延伸段是现实可行的,有望达到较好的冷却保护效果并提高喷管效率。     

喷管尺寸对超声速喷流噪声影响研究

为研究喷管尺寸对超声速喷流噪声特性的影响及其声场分布规律而设计了冷流实验系统,选用3种不同尺寸的喷管,采用LMS数据采集系统及噪声处理软件,对不同喷管尺寸、不同来流压强下的喷流噪声进行了采集和处理.实验结果表明,超声速喷流噪声具有较强的指向性,随着测点偏离喷流中心轴线角度从30°增加到180°,其声压级峰值逐渐减小,峰...     

单喷管火箭自由喷流噪声数值模拟

利用非定常燃气流场数值模拟方法，研究超声速喷流核心区及其外围亚声速区燃气流动态分布和流动特性，在此基础上利用欧拉方程条件的伽辽金有限元方法以及FWH方法，实现并完成喷流噪声传播特性、辐射特性数值模拟。喷流噪声数值模拟结果显示：燃气流推进初期，强喷流噪声区域紧随燃气流前锋；燃气流场相对稳定后，强喷流噪声区域主要位于燃气流等能区末稍，一些小尺度试验的燃气流激波系附近也存在较强喷流噪声。这些强喷流噪声主要由燃气流前锋带动的大涡动态卷吸、燃气流强湍流脉动以及激波扰动引起。受数值模拟网格分辨率影响，当前仅能保持中低频段声压级数值模拟结果与实测结果总体接近。     

液体火箭发动机声振环境试验及统计能量分析研究

对试车台上某型液体火箭发动机单机试车时发动机产生的喷流噪声和发动机上方目标声场进行了多次测量,并基于统计能量分析方法建立了该箭体-火箭发动机系统的声振分析模型,以试验和计算相结合的方法对有效载荷舱目标声场进行仿真计算,并和试车台上目标声场测试结果进行了对比分析,两者具有较好的一致性,表明该分析方法在中高频进行结构声振预示的可行性。     

类火星环境中火箭起降过程喷流影响研究

采用尺度自适应模拟（Scale Adaptive Simulation, SAS）方法对火箭在起降过程中喷流的地面效应进行了数值研究，对比分析了在海平面和类火星环境下的喷流冲击倾斜地面和水平地面时的流场结构以及喷管的侧向载荷。在海平面环境下，喷管内部出现流动分离，喷管内壁压力先减小，在分离点处压力达到最低点，然后压力增加至环境压力。喷流冲击倾斜地面时具有更强烈的流动不稳定性，喷流出现明显的时间演化现象。在类火星环境下，喷管内部不发生流动分离，内壁的压力沿着流向逐渐减小。喷流冲击倾斜地面时，在喷管出口的外侧形成了上下移动的马赫盘；喷流冲击水平地面时，喷流和地面反弹气流相互作用，阻碍了马赫盘的形成。研究结果还表明在类火星环境和海平面环境下，喷流冲击倾斜地面时喷管内壁温度均上升。研究结果将为火箭回收和火星着陆的方案选取提供参考。     

发动机喷流对飞行器底部流动影响数值模拟

针对发动机燃气喷流对底部流动的影响开展研究。建立冷喷与热喷计算方法,与经典的高压空气尾喷管喷流试验数据进行了对比,验证了本文建立的三维喷流方法的可靠性。对本文选用的飞行器外形采用冷喷与热喷方法开展了对比计算并与飞行试验值进行比较,分析了两种方法结果的差异。采用热喷方法对来流马赫数 2.5 ,不同飞行高度及喷管进口总压开展计算,研究飞行高度及喷管进口总压对发动机喷流及底部流场的影响。结果表明,保持飞行高度、来流马赫数不变,喷管进口总压增加,底部压力系数逐渐提高。燃气质量浓度最大值位于底部空腔的壁面处,且保持一个恒定值。保持喷管进口总压、来流马赫数不变,飞行高度增加,喷流高速区向后移动且中心区最大马赫数增加。在一定飞行高度下,底部压力系数由负转正,即飞行器底部会出现正推力,这对飞行器的射程会产生重要影响,需要提前评估。     

Flow of a water jet into vacuum

At certain intervals excess water has to be dumped into space overboard of the Spacelab cabin. For the development of a useful nozzle the behaviour of a water jet flowing into vacuum was investigated experimentally and theoretical interpretations of the flow phenomena which were found are given. The influence of parameters like the shape of the nozzle, the temperature and the gas content of water were studied. At certain test conditions, the jet leaves the nozzle exit in bundled form and ends abruptly bursting into droplets and ice-particles. The “bursting”-mechanism is explained by a sudden boiling of the water in the jet causing the growth of vapor bubbles decomposing the jet. The formation of vapor bubbles is initiated by a superheating of the water of the jet caused by a sudden pressure drop and a cooling at the surface of the jet. The expansion of vapor bubbles in the jet is retarded by surface tension forces which results in a relaxation time for the bursting of the jet. The vapor flow in radial directions of the jet is approximately described by a plane radial source flow. The measurement of the pitot-pressure radially to the jet proves that the vapor flow is supersonic.     

火箭垂直回收中发动机布局与喷流壁面效应影响研究

针对重复使用火箭垂直着陆过程的喷流流场问题开展研究,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了壁面效应和发动机布局对超声速喷流的影响。研究表明,着陆距离(L)在2.24D～11.2D(D为喷管出口的直径)的范围内,地面效应对喷管出口中心处的温度分布影响较小;在当前计算条件下,当L<2.24D时,超声速喷流撞击地面会形成强烈的激波,随着离地高度的降低,该激波位置往喉部方向移动,由于壁面效应,喷管内部形成斜激波,导致中心喷管壁面处的温度升高;中心喷管相对外侧喷管往外突出增大了壁面流动速度,导致外侧喷管出口的温度降低;研究还表明子级火箭底部端面的喷管数量增加后,会导致喷管的温度升高。研究结果将为火箭发射及回收方案选取提供参考。