水翼非定常空化流动中湍流模型研究

为了改进常规RANS方法中标准k-ε模型过渡预测流场涡黏性的问题,对几种标准k-ε模型的修正模型在空化流动的模拟中进行了应用评价,将修正后的湍流模型以二次开发的形式嵌入至商用CFD软件中,对某二维翼型表面空化流动进行了非定常数值仿真。结果表明:采用MFBM模型计算得到的翼型升力系数频率与实验偏差最小,达到0.6%;翼型表面非定常空化形态与实验结果最接近,具备最佳的计算效果。同时基于计算结果揭示了翼型表面非定常空化流动的产生机理,发现逆压梯度引起的反向射流作用导致空化云脱落,脱落后的空化云溃灭会改变翼型表面压力分布,造成空化云周期性脱落,进一步导致翼型升力系数周期性变化。     

垂直发射水下航行体的通气空化数值模拟研究

基于均相流模型对垂直发射水下航行体周围的通气空化流动进行了三维数值模拟,通过与试验得到的压力数据比较验证了数值方法的可靠性,并讨论了通气时序对通气空化流场的影响。结果表明:计算结果与试验吻合较好,通气能提高空泡内压力且不同位置压力一致,空泡末端存在回射高压;随着通气时刻提前,泡内压力和回射高压增大;空泡的发展过程伴随着旋涡的形成与演变,通入空泡的气体有3种流向,气体的运动导致空泡内产生多个旋涡,旋涡的种类可以分为3类。     

潜射导弹表面空化特性研究

潜射导弹水下高速运动时,弹体表面的空化现象对导弹的力学环境有重要影响。阐述了空化产生的机理,并通过数值模拟研究了空化流动的流场结构,分析了空化数及非凝结性气体含量对空化流动的影响。研究结果表明:空化数越小,水中非凝结性性气体含量越多,弹体表面空化就越剧烈,空化对导弹所受水动力的影响也越大。     

液体火箭发动机氧腔流动分析及均流板设计研究

采用Navier-Stokes方程数值模拟了某型火箭发动机推力室氧腔流动，计算分析了节流板表面的总、静压分布及其畸变指数。依据压力畸变提出了氧腔均流孔板改进方法，并通过多次分析-设计循环得到了新的均流板。最后对所设计的均流板进行了详细地计算分析和实验验证。分析和验证表明新设计的均流板使氧腔出口节流板表面压力畸变降低了30．4％，显著提高了氧腔压力均匀性，进而可以大大提高燃烧效率。     

热力学排气系统中节流效应及其冷量利用分析

为更好地理解热力学排气系统(TVS)的运行机理，优化其运行参数，针对节流装置，建立了热力学模型，讨论了节流过程中状态参数的变化规律，对比了单相气体、单相液体节流的性能特性，进一步揭示了焦汤节流效应的原理，分析了不同节流背压下节流前低温工质(液氢和液氧)压力和温度对节流性能的影响，并结合TVS实际应用，阐述了节流最大制冷量的利用效果，提出了优化的TVS工作区间。研究表明：在节流过程不发生相变情况下单相气体节流制冷效应要比单相液体节流制冷效应更加显著；而在节流过程发生相变情况下液体节流至两相后，由于空化吸热导致流体温度降低，对于液氢，0.5MPa的压降可产生接近3 K的温降。对于液体节流，节流前压力对节流过程影响可忽略，〖JP2〗而节流前温度和节流背压对节流过程起主导作用；对于液氢在在轨运行工况下，考虑到节流制冷量的充分利用，同时保证换热过程体积含气率不高于90%，推荐TVS系统中节流背压范围为75～143 kPa。     

液氢空化流动特性研究

对液氢空化流动的实验数据进行了统计分析,数值计算了大范围温度变化下液氢空化流动的变化特征。结果表明采用的数值计算方法计算结果与实验数据吻合良好。随着温度变化,液氢空化流动存在两种空化行为。当温度低于转捩温度时,空化行为的变化受液/汽密度比控制,空穴面积随温度的增加而增加;当温度高于转捩温度时,空化行为的变化热力学效应控制,空穴面积随温度的增加而减小。空化数和来流速度越大,转捩温度越高。     

三种空化模型在氧泵诱导轮中的计算分析

为探索不同空化模型对氧泵诱导轮的适应性,选取Schnerr&Sauer,Zwart及Singhal三种空化模型对氧泵诱导轮进行数值模拟,将三种不同流量系数(ψ=0.9,ψ=1.0及ψ=1.1)下每个计算结果与实验数据进行对比,发现Schnerr&Sauer和Zwart两种模型预测空化外特性变化趋势更加接近实验值,其中Schnerr&Sauer模型在空化发生段的计算结果与实验结果吻合较好.Schnerr&Sauer和Zwart两种模型在ψ=1.0的临界空化数与实验值误差为2.9％,在ψ=1.1的临界空化数与实验值误差为8.7％,Singhal模型计算结果偏差较大.三种空化模型在计算叶片压力分布上比较相近,在计算叶栅及流道气泡数分布上,由于Schnerr&Sauer和Zwart模型都考虑了气泡数密度的影响,而Singhal模型仅考虑了气泡运动,计算的气泡分布较低;综合考虑外特性及内流场计算结果,Schnerr&Sauer更适应于诱导轮空化计算.     

潜射导弹大攻角空化流动特性计算研究

潜射导弹水下高速运动时,弹体表面的空化现象对导弹的受力及力学环境有重要影响。通 过数值模拟,对大攻角情况下空化流动的特性进行研究,计算结果与试验值吻合较好, 验证了数值算法的准确性。得到弹体表面的压力分布情况,获取了不同攻角下空泡的不同形 态,分析了不同攻角、空泡数对弹体受力的影响。     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N_S方程的数值求解方法 ,对返回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟 ,其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法 ;N_S方程数值求解采用二阶Harten_Yee格式的差分法。得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较 ,得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段     

基于热力学效应修正的诱导轮空化模型研究

液体火箭发动机的诱导轮抽吸性能受到工质热力学效应的影响,低温工质的热力学效应对诱导轮空化工况下的工作性能影响尤为显著。由于热力学效应对气泡的增长有抑制作用,低温工质的热力学效应能改善诱导轮在空化工况下的工作特性,但目前国内对此问题的认识依然只停留在定性的层面。为了更准确地理解诱导轮在低温工质中的工作特性,必须定量地考虑这种由热力学效应所导致的影响。在Rayleigh-Plesset方程的基础上推导出了一种基于热力学效应修正的空化模型,并将此模型编译成程序模块应用于液体火箭发动机氧泵诱导轮的数值计算。对数值计算结果进行定量的后处理分析,并与发动机空化工况下的热试车数据进行对比验证了模型的准确性。     

基于AMESim的先导膜片式电磁阀动态特性仿真

介绍了先导膜片式电磁阀的结构及工作原理,建立了其多物理过程耦合的数学模型,利用AMESim软件建立了先导式电磁阀动态仿真模型,研究了节流孔、工作压力、弹簧刚度及弹簧力对先导膜片式电磁阀动态响应的影响。结果表明:节流孔对响应时间的影响因素较大,随着节流孔的增大,阀门的打开响应时间越长,关闭响应时间越短。该分析方法可应用于先导式电磁阀的设计和分析,具有一定的工程应用价值。     

压力波对垂直管低温气液掺混冷凝的影响

为了分析高压补燃液氧煤油发动机氧泵间管内气液两相掺混冷凝及其压力波传播过程,建立了可产生压力扰动的垂直管低温气液两相掺混实验系统,以氧气/液氧为实验工质,开展压力波对垂直管内低温气液两相掺混冷凝的影响研究,获得了不同压力波频率和氧气流量工况下的掺混图像,分析结果表明:压力波会使发散流型由微弱振荡冷凝向间歇振荡冷凝转变,使椭圆流型由稳定冷凝向振荡冷凝转变;在0~52 Hz不同频率压力波作用下,发散流型最大轴向冷凝长度与掺混孔径之比在10~30之间,椭圆流型的比值在8~15之间变化;压力波对气相摆动频率起主导性和正相关性的影响。     

低汽蚀余量高速泵诱导轮研究

诱导轮是用来改善高速泵汽蚀性能的重要部件。为了研究诱导轮设计参数对高速泵汽蚀性能的影响,对一台卧式高速泵的诱导轮分别进行了3种方案的设计,并且对安装了每一种设计方案诱导轮的卧式高速泵都在试验室进行了相应的汽蚀试验,试验结果显示通过合理设计诱导轮参数可以显著提高高速泵的汽蚀性能。为了进一步研究诱导轮内部液体的流动状态,采用雷诺时均方法,对诱导轮内部的流场进行数值模拟,研究了诱导轮叶片工作面上相对速度分布及压力分布情况。依据数值模拟和试验结果,提出了对于本结构的高速泵诱导轮设计时诱导论的扬程系数应小于0.15,进口液流冲角要在合理范围内选取,不能取值过小。在合理的设计条件下,高速泵配备相等螺距诱导轮可以达到优良的汽蚀性能。     

热力学效应对低温诱导轮旋转汽蚀影响的数值研究

诱导轮是液体火箭发动机中提高涡轮泵性能的关键部件,而旋转汽蚀是引起诱导轮故障的原因之一。低温液体发生汽蚀时会产生大量的潜热,对汽蚀流动产生重要的影响。利用基于Rayleigh—Plesset方程的混合流体模型,并考虑了汽蚀热力学效应,对诱导轮二维叶栅中的低温旋转汽蚀现象进行了数值分析。计算结果表明,考虑热力学效应时,产生旋转汽蚀的入口压力值下降;低温条件下的温度变化对超同步旋转汽蚀没有影响,而对次同步旋转汽蚀影响显著。     

低温流体闪蒸喷雾研究

为了研究低温流体闪蒸喷雾特性,建立了低温流体闪蒸计算模型,并通过试验进行了验证。在欧拉-拉格朗日框架下采用CFD-DPM方法模拟了闪蒸过程的气-液两相流场。研究表明,在闪蒸喷雾形态和温度分布特性方面,数值模拟与试验结果吻合。低温流体喷入低压环境后,在喷嘴出口附近便发生剧烈的闪蒸现象,呈现出巨大的喷雾角,并且喷雾温度急剧下降至环境压力对应的饱和温度;在喷嘴出口附近区域(x/d～40),过热闪蒸占据绝对主导地位,其蒸发速率高出其他换热2个数量级,随着喷雾液滴运动至流场下游,对流换热与热传导逐渐占据主导地位。闪蒸带来的强烈换热导致喷嘴附近可能会发生复杂的气-液-固相变,将会对发动机高空可靠点火带来风险。     

低温液体火箭发动机自然循环预冷研究

液体火箭发动机自然循环预冷涉及复杂的流型转换及传热过程,并且受到很多因素的影响。采用一维均相平衡态流体数学模型,通过离散化方法分析了稳态时预冷管路中流体各参数的分布,研究了回流口位置、气枕压力及液体过冷度对液体发动机预冷性能的影响规律。计算结果表明,回流位置位于下封头以上4～6 m范围内为相对最佳,增大气枕压力和液体过冷度均对发动机预冷效果具有抑制作用。     

诱导轮空化对流固耦合应力分析的影响

采用ANSYS FLUENT软件仿真计算了某型号液体火箭发动机诱导轮在空化情况下的流场压力分布情况,之后将其流体压力分布引入ANSYS Workbench中,利用单向流固耦合技术进行了该诱导轮的有限元静应力分析,获取了空化及非空化情况下诱导轮的叶片应力分布,分析了空化对诱导轮应力分析结果的影响。     

空气节流对煤油燃料超燃燃烧室燃烧性能影响

采用非定常数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧性能的影响,并研究了节流流量和节流撤去时间对节流效果的影响。在发动机入口马赫数2.0、静温656.5K、静压0.125MPa的条件下,无空气节流时发动机下壁面稳焰失败,壁面压力较低;有空气节流时发动机下壁面燃料稳定燃烧,壁面压力较高。空气节流可以有效地提高发动机的推力性能,可以改变发动机的燃烧模态。随着节流流量和节流撤去时间的增加,燃烧越来越剧烈,壁面压力逐渐升高,可能影响进气道的起动。节流可能促使流场产生振荡现象,通过改变节流流量也可以消除振荡现象。     

低温推进剂热分层研究

通过详细分析热分层产生的机理,阐述了低温流体热分层所引起的流体温度分布、气液界面现象以及箱体压力增加过程。对有关流体热分层的试验研究以及数值模拟的文献进行了整理;对不同低温流体工质、箱体初始设置参数及尺寸参数、箱体形状、壁面曲率大小、壁面是否加肋片以及箱体晃动旋转等对热分层的影响进行了分类总结;对不同热分层数学物理模型进行了系统对比。介绍了不同重力水平下,流体流动状态与热分层的关系。归纳了有关热分层现象的一些重要结论,阐明了我国在该领域开展研究的必要性。最后指出低温流体热分层对推进剂箱体优化设计及安全运行的重要意义。