火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

固体火箭发动机喷管分离流动数值模拟及试验研究

对地面条件下大面积比喷管出现的分离流动进行了数值计算分析和试验。首先,利用商用CFD软件进行做数值计算,计算了多种工况,分析了燃烧室压强、喷管型面对分离流动的影响;然后,利用某型号固体火箭发动机进行喷管分离流试验,测得了喷管壁面上沿轴向的压强分布数据。试验捕捉到的与流场数值计算中得到的分离点位置相近,验证了流场数值计算的准确性,数值计算和试验为进一步深入研究打下基础。     

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。     

非定常喷流和尾腔流动的高分辨率数值模拟

导弹在运载器尾腔内的点火分离，涉及高温、高压气体在喷管和运载器尾腔内的三维非定常流动。采用分步显式和隐式ＮＮＤ格式对轴对称和三维多喷管非定常亚、跨、超混合喷流流场进行数值模拟，单喷管导弹的喷管流动和尾腔流动使用整体轴对称流动模型；对于多喷管导弹，喷管流动使用轴对称流动模型，尾腔流动为三维流动模型，喷管与尾腔流动间由边界参数进行耦合。算例表明，该方法能较好地捕获喷管和尾腔流动中的三维运动激波，计算结     

固体火箭发动机喷管瞬态流场特性分析

为准确预测某型固体火箭发动机喷管的流场特性,建立了发动机燃烧室-喷管一体化三维流场模型,考虑了上游流场-燃烧室对喷管流场的影响,应用有限体积法,仿真计算出了发动机点火启动过程中喷管内激波的存在及变化趋势,仿真结果与一维等熵函数理论分析结果相一致。结果表明,在发动机点燃初期,喷管内燃气呈现亚音速流动,随着时间推移,在喷管扩张段出现了一道激波,燃气流动出现壅塞,随着燃烧室内燃气压力升高,激波逐渐移出喷管,喷管内呈现超音速顺畅流动。     

喷管分离流动模态转换过程壁压测量试验

为了研究推力最大抛物线(TOP)喷管在不同工作压强下流动分离过程中分离模态间的转换过程,确定其压强分布特点和模态转变发生的临界压强比,对一个TOP喷管进行了多个压比下的冷流试验。通过采集不同位置上的壁面压强,初步确定开机阶段自由激波分离向受限激波分离模态转换发生的喷管压强比(NPR,喷管局部压强与环境压强之比)在17.61~18.49之间,捕捉到了转变过程中的压强不对称现象,并且发现在受限分离激波下游的局部壁面压强高于环境压强。为了获得更多流场细节,用雷诺平均(RANS)方法对实验模型进行了数值模拟,与试验结果最大误差不超过5%,证实了试验中获得的压强分布确实对应了不同的分离模态。     

空腔位置及结构对脉冲压力振荡的影响

为了获得不同空腔位置及结构对脉冲压力振荡特性的影响规律,利用Fluent软件并结合UDF(用户自定义函数),对4种不同空腔模型的发动机开展了数值计算,得到了燃烧室内的流场结构与脉冲压力振荡特性,为发动机装药结构设计及不稳定燃烧抑制提供了理论指导。结果表明,头部空腔能有效衰减脉冲波动压力,有利于提高发动机的工作稳定性;中间位置空腔内容易产生旋涡脱落现象,继而诱发涡声耦合压力振荡,扩张式中间空腔内压力振荡比收敛式中间空腔内的压力振荡严重;末端空腔不仅削弱了喷管阻尼,而且在脉冲条件下易激发旋涡脱落,不利于发动机工作稳定性,在工程设计中,应慎重考虑翼面后置装药结构。     

水下点火过程及其影响因素仿真

火箭发动机水下工作时的流场特性与空中完全不同且对水下工作环境非常敏感。为了研究水下点火流场的非定常演化过程及点火水深、航行速度、汽化反应的影响规律,利用VOF多相流模型及SST k-ω湍流模型模拟了不同环境下的水下点火过程。研究结果表明：发动机水下工作过程大致分为3个阶段——初期发展阶段、振荡发展阶段与推力稳定阶段,稳定阶段尾流场又可划分为射流区、过渡区和掺混区,各阶段的划分受水深、航速等变量的影响;振荡是水下发动机工作最主要的特征,喷管出口燃气射流流动状态决定了流场与推力的基本特征;航速主要影响燃气泡形态演化规律,表现为轴向长度、颈缩程度增大;受汽化效应影响,流场中出现水蒸气的聚集现象,但由于作用时间短、水汽化量小,对流场与推力的影响相对较小。     

尾部喷流对飞行器阻力影响的数值模拟分析

底阻在弹类飞行器阻力中占比较大,准确预示底阻对于弹类飞行器飞行性能评估至关重要,而发动机尾部喷流对底阻影响明显。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的流场仿真方法研究了飞行器底部发动机喷流和外流干扰流场特性,主要分析了喷流对飞行器阻力的影响。飞行器安装了两台推力可调的液体火箭发动机,发动机在不同飞行工况下采用不同推力工作。分别研究了亚音速、跨音速和超音速典型飞行工况下弹体底部无喷流状态、单喷管喷流状态和双喷管喷流状态时,飞行器阻力变化情况。结果表明:不同马赫数下,发动机喷流对底部阻力影响情况基本一致,与无喷流情况相比,当发动机工作时,无论单喷管喷流还是双喷管喷流状态,底部发动机喷流引射效应明显,弹体阻力系数明显增加。     

喷管分离流流动-热-结构顺序耦合数值模拟及试验研究

针对大膨胀比喷管气流分离状态下喷管所受的复杂载荷,采用数值方法分析喷管结构.利用有限体积二阶迎风插值格式及SST涡耗散湍流模型,结合二层增强型壁面函数,求解N-S方程、热传导方程.采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交互数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析.应用有限元方法对给定的温度场及压力载荷作用下的结构进行了瞬态静力分析,实现了流动-热-结构的顺序耦合.采用此计算模型对轴对称拉瓦尔喷管进行了数值模拟,发现在大膨胀比下喷管发生气流分离,经分离处的斜激波后气流温度梯度及压力梯度变化较大,导致该区域应力较大.为验证模型的准确性,开展了试验研究,测得的气流分离位置和计算得到的分离位置很好的符合,说明了计算方法的有效性.     

应用动网格技术计算着陆过程中缓冲发动机喷流流场

利用Fluent软件对着陆过程中缓冲发动机的喷流流场进行数值计算,发动机与地面相对位置的不断变化使计算域形状不断改变.为了保证计算的正确性,必须采用动网格技术.介绍了实现移动网格的基本方法,并结合使用网格弹性平滑移动和网格重构方法实现了着陆过程中缓冲发动机喷流流场的非定常数值计算;得到了随发动机着陆产生的喷流流场的压强...     

无喷管助推器非定常动边界内流场数值模拟

无喷管助推器依靠药柱的扩张面实现对气流的加速,燃面的线性增加及喉面的指数增加,使其内流场呈现明显的非定常性;侵蚀燃烧、压强的不均匀分布及药柱变形,使无喷管助推器的工作过程十分复杂。通过对FLUENT软件进行二次开发,建立了无喷管助推器的非定常动边界内流场数值模型,考虑了推进剂的点火过程和侵蚀燃烧,可获得各个时刻的燃面位置及内流场分布,从而可对发动机的内弹道性能进行较准确地预示。通过对某无喷管助推器的工作过程进行模拟,内弹道计算曲线与试验曲线吻合得较好。     

固体发动机喷管延伸锥展开前级间分离的热环境分析

通过FLUENT流场计算软件,采用RNGK k-ε湍流模型,针对带有延伸喷管的多级固体发动机级间热分离的热环境进行了数值分析。研究表明,延伸喷管尾流受到连接筒、前封头、延伸段的阻碍后,其流动特征变化显著,尤其在一级前封头的影响下形成回流,并在喷管内形成激波。计算得到的热环境参数,对发动机的热防护设计具有一定的参考价值。     

空空导弹固体发动机内弹道对导弹后体流场非定常影响的数值模拟

空空导弹高空工作过程中,外部的超声速来流与其固体火箭发动机的尾部喷流相互作用,形成复杂的非定常尾部干扰流场,影响导弹后体的工作环境。为了探寻发动机内弹道对导弹后体结构的非定常影响,采用双组分气体的非定常CFD仿真模型对某空空导弹发动机工作期间的喷管内流场和导弹外流场进行一体化数值模拟,研究了由多个自由剪切层、激波、膨胀波等组成复杂干扰流场的结构,以及在发动机内弹道和外流速度的非定场效应影响下其变化过程,在此基础上定量分析了由此引起的尾流的温度和燃气的扩散,以及在不同内弹道阶段发动机对导弹后体结构产生的影响。计算结果表明,非定常干扰流场在导弹后体附近产生不断变化的低速涡流区域,加速了温度和燃气的扩散,致使导弹尾端面区域受到高温气体冲刷,进而降低导弹后体结构的安全性。因此,空空导弹的后体设计有必要考虑并减少发动机内弹道与导弹外流的非定场影响对导弹后体安全性所造成的潜在威胁。     

固体火箭发动机喷管分离流动流固耦合数值仿真

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的分离流动,采用数值仿真方法进行分析,并与试验进行对比。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。耦合计算结果发现,此大膨胀比喷管发生气流分离,且分离处斜激波后的气流温度与压力变化较大,采用流固耦合数值方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境。耦合计算结果与试验进行对比得出,耦合计算得到的分离位置能很好地拟合实验测得的气流分离位置,说明了流固耦合数值方法的有效性,为更深入研究大膨胀比喷管分离流动现象提供了支撑。     

喷管尺寸对电弧风洞流场和热环境的影响分析

为获得电弧风洞喷管尺寸对试验流场以及模型表面热流的影响规律,针对某特定模拟参数试验状态,采用高焓流动数值模拟方法对不同尺寸锥形喷管下的球柱校核模型试验流场进行了模拟和比较分析。研究发现,在模拟气流焓值和模型驻点热流的条件下,采用出口尺寸小的喷管所需电弧加热功率更低,同时单位流向截面上气流能量转化为模型驻点气动热的比例更低。不同喷管出口尺寸下,试验流场喷管出口区域热力学非平衡程度、波后氧原子质量分数、模型驻点区域压力以及表面传导热流和扩散热流占比都比较接近,但相较飞行状态存在明显差异;不同喷管出口尺寸下来流速度、激波脱体距离以及驻点线上平动温度之间的差异明显,喷管出口尺寸越大,其与飞行状态越接近。     

固体火箭发动机喷管扩张段粒子冲刷流场分析

某翼柱形药柱固体火箭发动机喷管扩张段出口部位在试验后出现了与药柱翼槽位置相对应的冲刷痕迹,为了研究Al2O3粒子对喷管扩张段的冲刷规律,对喷管型面改进提供依据,对比了不同湍流模型、颗粒轨道模型对形成冲刷痕迹的影响,分析了发动机喷管扩张段两相流场特征,确定了形成冲刷痕迹的粒径范围,判断了冲刷痕迹的形成时间,提出了喷管型面改进方案。结果表明,喷管扩张段的冲刷痕迹形成于发动机工作的15 s时刻之前,主要由药柱后翼燃烧产物中颗粒粒径分布为10~16μm区间的粒子造成,改进后的喷管型面可有效降低粒子对喷管扩张段的冲刷。     

火箭发动机斜切喷管流场与推力特性的数值模拟研究

为研究固体火箭发动机斜切喷管流场与推力特性,采用非定常可压缩N-S方程与Realizablek-ε湍流模型相结合的方法,并运用混合网格技术,对不同角度斜切喷管的流场特性与推力特性进行数值模拟研究。结果表明,对于斜切喷管发动机,当喷管入口采用倾斜安装形式时,会存在一定的质量流量损失,喷管实际质量流量为理论流量的0.938;对于不同角度的斜切喷管,喷管喉部与喷管扩张段对称结构部分的速度场分布状况基本相同,而在喷管扩张段非对称部分,速度场分布存在一定的单边现象;当喷管斜切角度从45°增大到90°时,喷管轴向推力Fx线性增大,侧向推力Fy线性减小,推力偏转角度则从2.323°减小到0.063°,但对发动机喷管中燃气的质量流量与喷管总推力的影响不大。     

喷管对连续旋转爆轰发动机性能影响数值研究

为研究尾喷管构型对连续旋转爆轰发动机性能的影响,采用内径40 mm,外径60 mm,长度50 mm的环形燃烧室,空气为氧化剂,氢气为燃料,对安装等直喷管、收敛喷管、扩张喷管和拉瓦尔喷管的连续旋转爆轰发动机的内外流场进行数值模拟。获得了不同尾喷管条件下爆轰波的传播特性和流场结构,分析了喷管构型对发动机内外流场结构和推进性能的影响。计算结果表明,不同尾喷管条件下,燃烧室内均能形成稳定传播的爆轰波;与等直喷管相比,收敛喷管和拉瓦尔喷管对燃烧室内的爆轰波的压力和传播速度具有明显提升作用,但波头高度则明显降低,安装扩张喷管条件爆轰波压力和传播速度略微有所降低,波头高度却增加。收敛喷管和拉瓦尔喷管对发动机尾部火焰具有一定的约束作用;在给定的发动机模型下,收敛喷管对发动机的推力性能提升最为显著,其推力和比冲分别为259.4 N和120.3 s,扩张喷管则降低了发动机的推力性能。     

塞式喷管侧向喷流仿真研究

随着快速、准确等控制要求的提高,越来越多的飞行器采用了直接侧向力控制技术,这对飞行器本体及喷流装置均提出了更高要求,是先进飞行器气动设计中的关键技术之一。参考美国NCADE方案中的塞式喷管控制发动机结构进行了侧向喷流干扰流场的数值仿真研究,并与常规拉瓦尔喷管进行了对比,分析了两种喷管干扰流场结构及性能的异同,为相关研究提供借鉴。