塞式喷管设计和性能验证

提出了简化的塞式喷管型面设计和优化方法,并以气氢/气氧为推进剂,对圆转方内喷管一单元直排塞式喷管性能进行了热试实验验证.用圆弧和抛物线近似内喷管型面,用抛物线和三次曲线近似塞锥型面,以从海平面到设计高度的飞行总冲最大为目标函数,进行塞式喷管型面设计和优化.介绍了实验系统及实验发动机主要零部件的结构和设计参数,给出了实验参数测量结果、实验照片和数据分析.实验表明,塞式喷管具有良好的高度补偿能力和较高的效率.在三个不同高度下,实验喷管效率在93%～98%之间,预计设计点效率不低于98%.实验结果表明,所提出的塞式喷管型面设计和优化方法是合理可行的.     

塞式喷管主喷管角度特性

首先建立了塞式喷管角度特性的研究模型，并运用简化的塞锥设计方法设计塞锥型面，在此基础上，通过连续改变主喷管倾角来研究主喷管倾角对塞式喷管的推力性能的影响，并确定在给定设计条件下的主喷管最佳倾角，还分析研究了底部高度，内膨胀比，总膨胀比，总压和飞行高度与主喷管最佳倾角的关系以及变化规律，针对特定的塞式喷管实验发动机，进行了初步的变角度实验，并与计算结果进行比较和分析。     

瓦状塞式喷管的实验和数值模拟研究

从冷流实验和数值模拟两方面对瓦状塞式喷管和钟型喷管的性能进行了对比研究.实验获得了集气室压强、发动机推力和环境压强等参数,得出了喷管效率的高度特性曲线.数值计算了三个实验喷管的性能,数值模拟结果与实验数据吻合较好.实验和数值模拟均表明瓦状塞式喷管相对钟型喷管具有良好的高度补偿能力;以简化的直线塞锥代替按照理想膨胀特征线法设计的型面塞锥会带来较大的性能损失;瓦状塞式喷管具有较高的性能,可以成为未来工程应用的选择方案.     

瓦状特征型面塞式喷管三维计算与实验

为了进一步了解瓦状塞式喷管的性能,采用NND差分格式求解三维N S方程和空气冷流对6单元瓦状特征型面塞式喷管进行了数值模拟和实验研究。研究模型的内喷管面积比为4,总面积比为40,设计压强比为1047。计算得到了流场马赫数和塞锥表面压强分布、喷管推力系数效率,以及不同压强比下中心平面、过渡平面和边缘平面的塞锥表面压强变化规律。计算结果与实验数据吻合得较好,效率数值最大相差1%。实验塞式喷管最大的推力系数效率为0 995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,效率在0 93～0 995之间变化。和以前简化型面的4单元瓦状塞式喷管相比,实验和数值模拟均说明塞锥特征型面的优化设计提高了喷管性能,更充分体现了塞式喷管的高度补偿特性,可以成为未来工程应用的选择方案。     

主要结构参数对直排塞式喷管性能的影响

数值模拟了内喷管面积比、内喷管型式和塞锥截短对塞式喷管性能的影响,比较了不同结构参数选择下对应的塞锥尺寸。内喷管在地面处于欠膨胀和完全膨胀时塞式喷管的性能高于内喷管在地面处于过膨胀时的性能;内喷管为矩型喉部矩型出口二维喷管的塞式喷管效率最高,内喷管为圆喉方型出口和圆喉矩型出口的塞式喷管性能接近,但都比具有二维内喷管的塞式喷管效率稍低;塞锥截得越短,塞式喷管的效率越低,不同塞锥截短率塞式喷管的性能差别随着压比的增加而减小;随着塞锥长度的增加,塞锥长度对塞式喷管性能的影响逐渐降低。     

矩形内喷管塞式喷管的数值计算与实验研究

为了了解内喷管为二维矩型的塞式喷管性能,设计了一个二单元的实验塞式喷管,并对模型进行了数值模拟和实验研究。数值模拟采用无波动、无自由函数耗散(NND)差分格式求解三维NS方程,利用空气冷流实验方法评价了喷管性能。研究模型的内喷管喉部面积为4×60mm2,内喷管面积比为4,总面积比为24.05,设计压力比为500。计算得到了正确的流场结构和塞锥表面压强分布,结果与实验数据吻合很好,效率数值最大相差1%。模型的性能也比较理想:最大的推力系数效率为0.995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,推力系数效率在0.97～0.995之间变化。不同压强比下全锥塞式喷管的塞锥表面压强分布规律,可以作为研究截短型塞式喷管塞锥压强分布的基础。      

塞锥型面简化与截短对塞式喷管性能的影响

用NND差分格式求解N－S方程，对截短直锥塞式喷管和用特征线法设计的截短型面锥塞式喷管的流场和性能进行了比较。成功地捕获了流场激波、膨胀波及反射压缩波，计算结果与实验数据吻合较好，对不同型面塞式喷管在不同高度下的推力性能和塞锥截短对发动机性能的影响。研究表明，相同长度的截短直锥发动机总推力比型面锥塞式喷管发动机低1％－1.5%；相对30％截短型面塞锥发动机，50％截短型面塞锥发动机的总推力可提高约2.5%。     

固体火箭发动机塞式喷管数值模拟和热态试验

为了考察固体火箭发动机塞式喷管的性能,设计了一套单元内喷管数为16、面积比为25的环簇式固体塞式喷管和一对比用钟型喷管,采用数值模拟方法预估了其推力性能.对塞式喷管进行了地面热态试验,测定了其推力性能.结果表明,环簇式塞式喷管地面燃气流动现象和推力性能的数值模拟结果与试验结果吻合.塞式喷管在地面上的推力效率达92.6%,比同面积比和长度的钟型喷管高9.1%,具有明显的高度补偿效应;但高空效率比用钟型喷管效率降低5.8%.      

“瓦”状塞式喷管的数值模拟与实验

为了寻求高性能和更接近工程应用的发动机，提出了一种内喷管为轴对称喷管，塞锥为凹面的“瓦”状塞式喷管，分析了这种塞式喷管的优缺点，并针对一研究模型进行了数值模拟和实验比较，数值模拟采用NND格式求解曲线坐标下的三维平均雷诺的N－S方程，并用k-ε两方程湍流模型封闭方程组，实验研究采用酒精和氧气作为推进剂进行了热试车；研究模型的内喷管面积比为3．24，总膨胀比为22．15，设计压力比为220，结果显示“瓦”状塞锥改善了塞锥的流场，并且当压力比在16．8－220的范围内变化时，其相对理想喷管的喷管效率在0．90－0．96内变化，对发动机设计作进一步改进，其性能有望进一步提高。     

塞式喷管气动特性与性能研究

对6单元瓦状塞式喷管、6单元圆转方内喷管塞式喷管和1单元直排塞式喷管进行了实验和数值模拟研究.实验表明,3个塞式喷管具有良好的高度补偿特性和较高的效率,6单元瓦状塞式喷管和1单元直排塞式喷管在设计高度的效率接近100%;由于内喷管型面不够理想和加工时存在的缺陷,6单元圆转方内喷管塞式喷管的设计点效率在95%左右.数值模拟结果与实验数据吻合较好,结合实验和数值模拟分析了外界反压对气流,进而对底部气动特性的影响.实验研究了底部二次流流量变化对性能的影响.     

塞式喷管效率高度特性分析

通过理论分析,结合塞式喷管具有高度补偿特性的特点,根据气流流动的情况,将塞式喷管的推力分为两部分,建立了两个不同的塞锥表面压力分布的数学模型,来分析塞式喷管发动机效率的高度特性非单调性变化的规律以及塞锥表面压力分布对其的影响。结果表明,在高的环境压强下工作时,由塞式喷管的高度补偿能力所获得的推力是引起效率高度特性曲线非单调变化的原因;在低的环境压强下工作时,由于塞锥的截短,效率高度特性曲线在设计点之前达到最大值。      

线性塞式喷管外流干扰数值计算与冷流试验

采用有限体积法对由塞锥截短率为25%的线性塞式喷管和升力体构成的塞式喷管运载器风洞冷流试验模型进行仿真计算,并结合试验测量结果,研究了不同高度(压比)下外流对线性塞式喷管流场结构和性能的影响.结果表明,外流干扰导致线性塞式喷管内流过膨胀和横向侧流强度增加,并影响塞锥底部气流的受限流动;低空工况下外流的存在造成塞锥壁面和底部压强降低以及运载器底部阻力增加,喷管性能损失较大;高空工况下塞锥壁面和底部的压强已经不再受外流的影响,喷管性能损失较小,主要由运载器底部阻力损失造成.      

多单元圆转方塞式喷管的性能计算和分析

采用NND差分格式求解三维平均雷诺N-S方程的数值方法, 对多单元圆转方塞式喷管的性能进行了计算.首先比较了钟型喷管、二维喷管、圆转方喷管、方形喉部方形出口喷管的流动特点和性能, 然后研究了转方位置、转方后型面和出口圆角对圆转方内喷管性能的影响以及圆转方结构型式、内喷管倾角、塞锥型面变化对塞式喷管性能的影响, 并且给出了具有较高性能的多单元圆转方塞式喷管设计方案.研究结论对于多单元圆转方塞式喷管的优化设计有一定的参考作用.      

Flowfield analysis of a linear clustered plug nozzle with round-to-square modules

The plug nozzle is one of the advanced expansion devices proposed to improve the overall performance of launcher liquid rocket engines. The present work investigates the three-dimensional flow field generated on this kind of nozzle by partitioning the primary nozzle into modules. A linear plug nozzle has been designed together with modules having two different geometries: a rectangular cross section and round-to-square module. Numerical simulations have been carried out considering the case where all modules of the primary nozzle are active and the case where one module is turned off. The solutions are compared and specific three-dimensional flow structures taking place inside the modules and on the plug are identified. The relationship between these structures and the skin friction distribution within the module and along the plug surface is investigated. Finally, the effect on performance of these three-dimensional flow features is emphasized.     

旋转爆震发动机喷管非定常流动特性的数值模拟研究

为分析旋转爆震喷管内非定常流动特性,基于特征线方法和旋转爆震燃烧室出口时均参数设计了一种塞式喷管模型,通过改变塞锥式喷管的进出口压比π(π=15,30,45),分析了喷管内非定常流场结构与喷管工作性能之间的相互关系,并探究了喷管进出口压比变化对喷管工作性能的影响.研究结果表明:旋转爆震燃烧室下游斜激波进入喷管后,在喷管...     

气动塞式喷管的流场数值模拟和设计参数探讨

针对气动塞式喷管流场中存在的激波、激波与附面层相互作用、大尺度分离流动等复杂的物理现象 ,本文采用扩展的压强校正法求解用紊流模型封闭的可压缩湍流平均 N-S方程组 ,利用交错网格系统抹平迭代过程中的数值振荡 ,并通过高分辨率的 TVD格式进一步改善压强校正法的激波捕获效果 ,对气动塞式喷管的流场进行了详细的数值模拟。并进一步探讨了喷管倾角、塞锥长度和二次流流量比对喷管流场结构和性能的影响。     

塞式喷管冷流实验和数值模拟研究

开展了塞式喷管冷流实验和数值模拟研究。实验模型采用直排的点膨胀构型，实验测量了两种塞体长度的塞式喷管在不同压比条件下的表面压强分布，拍摄了典型工况下流场的纹影照片。数值模拟采用二阶NND格式求解二维N-S方程，计算得到的壁面压强分布与实验结果吻合较好。通过实验和数值模拟验证了塞式喷管高度补偿特性，得到的结论为塞式喷管设计和性能预报提供了依据。     

不同压比下冷却剂流量对塞锥再生冷却换热的影响

为了解塞式喷管发动机高低空不同的再生冷却换热特性,分别对二维型面内喷管和塞锥建立计算模型,采用数值模拟的方法,得出内喷管的冷却换热结果和出口参数,重点研究了塞锥在地面和设计点工作时的不同换热特性及其冷却剂流量的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:地面工况下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度和温度的影响较大,高空环境下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度的影响较小;在冷却剂流量相同的情况下,塞锥和塞锥底部在地面工况下的壁面温度要远高于在高空环境下的温度;在相同工况和相同冷却剂流量的情况下,塞锥壁面上的温度要远高于塞锥底部壁面上的温度.     

二维塞式喷管再生冷却换热的数值模拟

为了解塞式喷管再生冷却的换热特性 ,建立了二维型面塞式喷管计算模型 ,采用数值模拟的方法 ,研究了不同工况下塞式喷管的流场和换热特性。计算中 ,假定塞式喷管中的流动为冻结流动 ,考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热 ;采用二阶迎风格式离散控制方程 ,及 DO( Discrete Ordinates)模型离散求解辐射换热方程 ,水蒸气的吸收系数根据 Leckner公式计算。计算结果表明 :内喷管的受热情况最严重 ,需要重点考虑 ;塞锥的热防护随工作状况而改变 ,地面工况下塞锥的受热最严重 ,随着压比的升高 ,塞锥的受热逐渐减轻 ,最后不随环境压强而改变 ;塞锥型面设计不合理致使塞锥出现很高的温度峰值