激波加热超声速燃烧室直连式试验台喷管中的化学非平衡流动

为了开展飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机直连式试验研究,将中国空气动力研究与发展中心的FD-14激波风洞改造成了激波加热超声速燃烧室直连式试验台。设计了两组喷管,喷管出口马赫数为3.5和4.5,分别用于模拟飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机燃烧室入口气流条件。采用Park、Gupta、Dunn/Kang三种纯空气化学反应动力学模型,对马赫数3.5及马赫数4.5喷管中的化学非平衡流动进行了数值模拟研究,并对三种纯空气化学反应模型进行了比较分析。研究结果表明:在喷管收缩段,N_2和O_2的离解效应显著,而在喷管扩张段,N原子和O原子的复合效应更加显著;马赫数3.5及马赫数4.5喷管出口的NO摩尔分数分别为2.3%～2.57%和4.8%～6.0%,O原子摩尔分数分别为0.04%～0.11%和0.75%～1.25%,N原子摩尔分数几乎为零;在喷管扩张段,流动为典型的"冻结流";三种化学反应模型中,采用Gupta模型时O_2和N_2的离解程度最大,相应生成的NO及O原子含量更高,但是三个反应模型计算获得的各个组分在喷管内部及喷管出口截面的分布规律是一致的。     

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。     

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...     

JF-16膨胀管流场分析及升级改造

膨胀管（风洞）是少数几种具备超高速流动模拟能力的地面试验设备之一,针对中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室的爆轰驱动膨胀管JF-16,通过高焓流动数值模拟方法辅助诊断JF-16的流场特性可以发现,高温真实气体效应可以显著增加激波对气体的压缩能力并影响强激波结构,加速段内试验气流静温及化学成分较真实飞行条件有所偏离。为此对JF-16进行升级改造,通过在加速段末端加装锥形喷管,利用喷管的定常膨胀过程进一步调整试验气流的静温,进而提高试验气流品质,同时可以扩大试验区尺度。数值模拟结果表明8°锥角为最优选择,此时试验区尺度可扩大至140 mm。     

自由活塞激波风洞的入射激波衰减

自由活塞激波风洞产生的入射激波在行进过程中存在较大衰减,这种现象不仅降低了风洞喷管贮室的焓值、压力的量值和平稳性,而且也制约了风洞有效试验时间。针对自由活塞激波风洞结构特点,试图揭示入射激波衰减的主导原因。在忽略一些偶然性随机性因素后,重点对黏性衰减和反射膨胀波作用两个因素的影响进行了分析和比较。结果表明,在风洞主膜片打开时刻,活塞前脸与主膜片之间的短促距离,加剧了反射膨胀波的影响,在很多情况下,这是导致激波衰减的更为主要的因素。出于降低激波衰减和延长风洞有效试验时间的实际工程需要,提出了变截面活塞压缩器的设计构型。随后的理论研究显示,该构型能够实现活塞充分减速并达到安全速度,被压缩气体(驱动气体)能够形成平稳的压力/温度平台,满足激波管驱动需要。     

超声速旋流器内气相流场的数值模拟

为了研究旋流对超声速喷管内流场的影响,在现有旋流器的基础上,通过简化模型而设计出一套前置式超声速旋流器装置,并建立不同旋流器下的三维几何模型,利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent,结合realizable k-ε湍流模型对气相流场进行数值模拟。结果表明：在保持入口总压恒定时,随着进气道数量的减少,气体在旋流器中产生的最大切向速度会增大,但不会改变喷管流动具有组合螺旋涡的特性;由于气体的角动量是以减小轴向动量为代价,切向速度的增大,导致出口截面处的平均轴向速度减小;入口总压增大时,气体速度与静温在收缩段的分布接近,在扩张段,气体速度和马赫数增大,而静温减小,并且切向速度在出口截面沿径向方向上呈现出几乎相同的分布。     

高焓激波风洞试验技术综述

高焓激波风洞是研究高温真实气体效应主要的地面模拟设备,基于高焓激波风洞发展的试验技术主要包括驱动技术、流场检测技术和测试技术。决定试验段所能达到的总焓和总压水平的驱动技术,主要包括变截面驱动、多段驱动、轻质气体驱动和加热轻质气体驱动;高焓激波风洞驻室温度高,导致激波管末端和喉道等内流道产生烧蚀并对流场带来污染,并且在高温条件下气体分子发生离解甚至电离,导致试验分析困难;确定试验段自由来流参数和有效时间以及污染气体推迟的流场检测技术,是开展风洞试验的前提条件;高焓激波风洞总焓和总压高,有效试验时间毫秒量级,对测试技术提出了更高的要求。本文综述相关技术的研究进展,重点介绍了气动热/气动力以及流场物理化学参数的测试技术,指出进一步的技术发展方向,以期为大型高焓激波风洞的发展与应用提供参考。     

射流缝对激波诱导矢量喷管三维流场影响的数值模拟

在设计工况下,采用RNGk-ε湍流模型对扩张段不同射流缝几何结构的激波诱导轴对称气动矢量喷管进行了数值模拟。结果表明,流场结构的主要特征是在扩张段有一个主分离涡与一个旋向相反的射流角涡及次流与出口截面之间有一个较大的回流区。周向角,射流缝距出口截面轴向距离和轴向角是射流缝结构优化的三个关键参数,周向角为45°,射流缝距喷管出口截面轴向距离为19 mm,次流注入方向与主流方向相反时产生大的有效矢量角。     

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。     

一种形状可控的激波增强管道型线设计新方法

激波管所产生的非定常运动激波,若强度和形状能够按照一定的设计要求进行可控条件下的调节,将可望为燃料点火燃烧试验等提供具有独到优势的研究手段。基于激波动力学理论,针对激波管中所产生的平面运动激波,通过设计特定的上下壁面收缩型线,使初始平面运动激波,经收缩段（包括光滑凹形曲线段、斜直线段和光滑凸形曲线段）的变形和强度增加,再以平面波面形状进入较小截面直管段的连续转变过渡,得到了强度增加的平面激波。进一步对所设计的典型型线分别采用数值计算和试验的方法,考核分析激波运动过程中的形状变化,验证了理论方法的可靠性。在此基础上,分析了型线设计的关键参数对激波增强幅度的影响,结果表明,相对于传统激波管方法,本文中所提出的收缩截面方法能更显著地增加平面激波强度;另外,还考察了初始入射激波马赫数对壁面型线和运动激波波面形状的影响,结果表明,对于较强的初始入射激波来说,壁面型线对入射激波强度依赖较小,也就是说,当实际入射激波马赫数即使稍偏离设计状态时,仍然能得到近乎完美的平面形状增强激波。     

基于响应面法的火箭发动机喷管型面优化设计

针对已知某型火箭发动机的燃气参数,对比了维托辛斯基、双三次、五次曲线及基于维托辛斯基的移轴法设计的收缩段型面喷管性能,其中移轴法得到喷管性能较优;采用单一变量法计算分析了喷管型面参数(初始扩张段圆弧半径、扩张段出口半角、扩张段长径比、扩张段扩张角以及收缩段长径比)对喷管性能影响规律,喷管出口推力随着初始扩张段圆弧半径以...     

微喷管内声速点位置及临界压比

为提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微型器件的性能,利用有限体积法求解二维可压缩N-S方程模拟了扩张比为1.7的收缩-扩张微喷管内部的流场结构和温度分布,研究了尺度效应对微喷管内部流场结构的影响,计算中微喷管的喉部宽度为1～200μm.数值结果表明：在扩张比和进出口压力相同的条件下,微喷管出口马赫数随着微喷管尺度的减小而减小.微喷管内首次出现声速点的位置随着喷管尺度的缩小从喷管喉部逐渐移向喷管出口,临界压比值随着喷管尺度的减小而减小.     

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。      

二维超音速激波风洞及其应用

简述了二维超音速激波风洞的设计要点和性能,并给出在该风洞中低凸台诱导激波和湍流边界层相互作用的实验结果。实践表明：在被驱动段和喷管之间安装一个前缘光滑的矩形剖面短管道;并将二维喷管精加工成型,就能获得实验所需的均匀超音速气流。     

SRM喷管凝相粒子分布规律的实验研究

利用ＲＴＲ技术发展了一种新的研究热试车条件下ＳＲＭ 喷管两相流的实验方法。对实验发动机喷管内模拟粒子分布规律的实验研究结果表明： （１） 粒子通过喷管扩张段时并非均匀分布, 离轴线越远, 粒子浓度越小, 轴线处粒子浓度最大; （２） 喷管扩张段整个截面上都有粒子分布, 说明喷管扩张段中不存在 “无粒子区”; （３） 燃烧室压力越高, 粒子烟群的扩散程度越大     

引射法实现推力转向的技术研究

本文主要通过两种气动方法实现推力转向：第一种是在喷管的扩张段沿周向开缝，通过二次流的引射作用，在扩张段产生斜激波，由于激波的诱导作用实现主喷流的推力转向；第二种是在喷管尾部沿轴向开缝，由于喷管本身的不对称性，利用内外流场的共同作用，产生尾喷流的非对称流动，从而实现推力转向。在激波诱导方法中主要研究了开缝位置、开缝宽度和开缝周向角对推力转向的影响，并在此研究的基础上，提出了利用喷管二次扩张增强喷流的推力转向，并研究了喷管二次扩张角对喷流转向角的影响。给出了数值模拟计算，同时进行了高速风洞试验的验证，结果表明两者规律相同。     

扩张管和燃料部分填充对PDE效能的影响

采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,氢-氧混合物产生爆轰波的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充系数能使比冲显著提高。     

电控双驱动激波管和激波风洞波系和状态计算方法

本文给出了一种计算电控双驱动激波管和激波风洞内波系干扰及实验状态的简单方法,并提出了一种计算运动激波在喷管内运动规律的公式。     

二元喉道倾斜矢量喷管调节方法

利用数值模拟方法,对二元喉道倾斜矢量喷管的调节方法进行了研究。研究结果表明,当喉道注气流量不变,随着扩张段注气流量逐渐增大,喷管内出现三种典型流动状态。当扩张段注气流量比较小时,喉道处声速线的形状和位置没有明显变化,在扩张段注气口前面形成亚声速区域;当喷管扩张段注气流量比较大时,喷管中出现了强激波系和上下贯通的亚声速区域,这时喷管内的流动损失最大,推力系数最低;进一步增大扩张段注气流量,声速线会从喷管喉道移动到喉道注气口和扩张段注气口之间,出现典型的喉道倾斜现象。单独控制流量系数可通过保持扩张段注气流量不变,改变喉道注气流量来实现;矢量角的控制可通过保持喉道注气流量不变,改变扩张段注气流量来实现。     

磁激等离子体超声速气流的瞬态加速系统及其实验研究

研制了基于激波风洞的热电离系统,设计了马赫数Ma=1.5的喷管和分段法拉第型实验段,并选用了合理的磁场及电场方案。采用氦气驱动氩气模式,通过在激波管低压段注入电离种子K₂CO₃粉末实现气流的热电离;压缩后的高温氩气启动喷管,以瞬态超声速导电流体形式通过实验段。实验结果表明:当激波管高压段压力为1.1 MPa、低压段压力为500 Pa时,喷管出口的超声速导电气流温度约为4 185.91 K,压力约为0.037 MPa;当电容电压为400 V、磁感应强度为1.0 T时,由实验段中间位置电极的放电特性可以估算出气流电导率约为78.1 S/m,单对电极输入功率约为9.46 kW;用感应电压法对加速效果进行初步评估,出口气流速度增加了29.3%,电效率为26.1%。