跨声速喷管化学反应流数值模拟

火箭发动机工作是极复杂的物理化学过程，在喷管内气体的为三维、多相、粘怀、化学反应、跨声速流动。预估发动机的性能时，不仅要计算多相流损失、粘性、扩散损失，还要计算由于化学反应引起的化学动力学损失等，这就要对喷管内的各种流动现象作仔细的计算分析。本文采用Ｎａｋａｈａｓｈｉ半隐格式，用时间相关法计算了一维和轴对称喷管跨声速化学反应非平衡流场，得到了正确合理的结果，在跨声速喷管化学反应流仿真计算上作了初步     

超声速射流对挡流板的冲击流场的数值模拟

采用数值分析方法分析了跨声速喷管无粘流动和超声速射流对挡流板的冲击流场。该方法是对激波流动添加了显式人工粘性项，控制方程仍为Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ二阶显式预后－校正差分格式求解。     

用于定常二维跨声速喷管流动分析的N—S解程序

本文介绍了用于分析平面和轴对称定常跨声速喷管流动的有效的Navier—Stokes解算法。本法是利用跳格数值算法在物理上取的坐标中求解守衡型非定常可压缩N—S方程。分析了几种定常跨声速粘性喷管层流,给出了计算结果,并与实验结果进行比较,证实了数值方法的精度和效率。     

斜切反喷管流场的数值模拟

为了在级间分离期间提供反推力，许多固体火箭发动机前端都装有一组斜切反喷管。由于反喷管的气动型面具有许多尖点，并且在超声速区有一个台阶，喷管内存在一系列激波，而且亚声速区和超声速区互相混杂。本文用时间相关法数值模拟了反喷管流场，控制议程用Ｍａｃ Ｃｏｒｍａｃｋ显格式求数值解，边界参数采用物理边界条件和从双特征线方法推导来的有效的特征方法为计算，为于固壁边界点，在不同的区域采用不同的方法对计算方程组求     

具有反应及粒子尺寸改变的喷管的气体——粒子流

本文介绍了含有粒子尺寸效应及相变效应的一维气体——粒子混合物流动的控制方程组。除考虑粒子的速度与温度滞后以外,还考虑了如下几种效应:粒子的熔化、液滴的破裂、液滴的凝聚、辐射、粒子密度随温度的变化、蒸发、化学反应、凝结及凝固。本文讨论了一些数值解法及其解,还讨论了这些效应对喷管性能的影响,并将这些综合的效应同几种固体火箭发动机实测的比冲效率作了比较。     

一维两相喷管流动

本文详细地论述了一维两相喷管流动控制方程的数值解方法,给出了数值计算举例。在确定边界条件时考虑了燃烧室工作过程,在算例中计算了不同的喷管型面,从而也讨论了喷管两相流动对发动机内弹道性能以及喷管型面对两相流损失的影响。     

随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用

应用随机轨道模型对喷管内气-固两相流动进行了数值模拟,结合实验测量结果对使用随机轨道模型和确定轨道模型两种方法的计算结果进行了对比分析,研究了不同固相参数(固相质量比和粒子平均直径)下的固体火箭发动机喷管性能。研究发现,随机轨道模型对实际流动现象的模拟优于确定轨道模型,随着固相质量比和粒子平均直径的增加,喷管两相流损失增加,冲量系数下降。     

固体推进剂火箭发动机喷管形状最佳化

喷管形状结构对固体推进剂火箭发动机效率和性能会产生影响,这篇文章对这种影响提供了理论分析判断方法。这个理论方法利用比冲(Isp)确定发生在发动机中的流动和热损失。在分析中考虑了由于扩散、摩擦、热、粒子滞后,烧蚀和化学不平衡引起的损失。本文用抛物线、园弧和特征流线方法(MOC)构成喷管形状,对发动机性能进行比较。这些形状的差别是用最佳初始膨胀角和最佳折回角(初始角与出口角之差)来表示,在喷管形状参数(长度和直径)同定的情况下,研究了典型的低空和高空的发动机。这些计算的结果对喷管形状设计给出了有益的理解。研究指出: 第一:最佳初始膨胀角和最佳折回角随型面类型而变化。第二:对于抛物线型、园弧型和特征流线型的喷管,固定形状参数可以得到的最大比冲基本上是相同的。第三:如果喷管不是最佳形状,就出现明显的性能损失。第四:这个理论比冲预测方法能有效地运用到固体推进剂火箭发动机喷管形状设计中去。     

利用不连续出口流减少火箭发动机喷管的长度

受外廓尺寸限制的火箭发动机喷管设计以及能产生最大推力的喷管造型等问题,在过去的几十年里已引起了不少研究者的注意。最近发现,在喷管的出口流场的控制面上引入“不连续性”,可以减少喷管长度。本报告给出了喷管型面的计算和推力性能比较。这里提及的控制面包括两区域,内区包含超音速膨胀流,其速度和流动方向角是随半径增大而增大的。外区包含受喷管型面影响的流场,它呈现出随半径增大而流动方向角交小的特征。在内外区的接合处,引入流动方向上的不连续性和相应的速度等熵变化,通过等熵压缩波在此接合面处相交实现“跳跃”。在控制面的上游,流动保持等熵。在本报告中所示的计算方法表明,喷管长度的减少量,是与跳跃的大小和沿控制面的位置相关联的。可以想象,只需少量的推力性能损失就可实现喷管长度的大幅度减少。这种设计观点最有希望应用在空间发动机的设计中。     

固体火箭发动机燃烧室中的一维两相流动

本文详细讨论了固体火箭发动机燃烧室一维两相不平衡流动基本方程的数值求解方法,分析了粒子尺寸对燃烧室流场和压力——时间曲线的影响,并与燃烧室一维两相常滞后流动结果进行比较,得出了一些有用的结论。有利于准确预估压力——时间曲线和为喷管两相流动计算提供更精确的边界条件。     

射流推力矢量喷管中粒子运动轨迹的数值模拟

用颗粒轨道模型对基于激波控制的二维收缩-扩张(2-DCD)喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,研究了1～60 μm不同直径颗粒的运动轨迹.研究表明,颗粒尺寸越小,粒子的随流性越好;颗粒尺寸越大,主流中的粒子与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大,二次流中的粒子对下壁面的碰撞越剧烈.     

固体火箭喷管空气动力设计的一般原理

在一定条件的约束下,扩散和两相流效应对喷管空气动力的设计和喷管效率实质上起着支配的作用。为了减少两相流动的损失,提出了一些一般原理。这些原理应用于所介绍的方法中,以便得到一种新的喷管形状。描述了收敛段,喉部和扩散段的结构,通过多项式的起始膨胀区的截短喷管的方法获得了扩散段的形状。所得到喷管的结构对减轻喷管重量比较有利。     

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。     

带缝隙喷注的火箭发动机喷管性能

本文介绍了在喷管超音速段有气体沿切向缝隙喷注的火箭发动机喷管流场计算方法,同时还提供了无喷注的喷管流场计算。计算结果与试验数据相符,证明该计算方法有效。文中对发生器气体喷入实际发动机超音速段的喷管流场进行了分析,分析中假设使用了两类推进剂:氧/氢、氧/甲烷,以氧/氢和氧/甲烷的燃烧产物作为发生器气体。数值计算结果表明,在喷管超音速段有气体喷注的情况下,由于粘性引起的真空比冲损失比没有喷注的喷管损失小。     

导弹表面流动分离与后体减阻设计

采用基于压缩性修正的两方程K\|ω\|WD+模式数值求解雷诺平均的Navier\|Stokes方程组,数值模拟导弹跨、超声速流动(含底部),研究导弹后体多台阶、环向凹槽等典型分离流动的被动减阻措施对阻力缩减的影响。与分离导致阻力增加的传统观点不同,通过分析计算结果发现多台阶能有效降低摩阻及底部阻力;环向凹槽则有利于降低摩擦阻力,底阻减小不明显;组合外形未必能获得较基准外形更多的阻力缩减,欲获得更多的阻力缩减,仍须开展更深入细致的工作。
     

气动塞式喷管底部压强模型研究

为了解寒式喷管底部压强特点，找出快速、准确计算底部压强的方法，实验研究了不同反压下塞式喷管的底部压强，在认识外界反压对塞式喷管流动作用机理的基础上分析如何确定不同的底部气动状态，将采式喷管底部在不同外界反压下的气动状态划分为“三段”，即底部开放段、底部闭合段和底部由开到闭的过渡段，在各段，底郜压强使用不同的计算方法。把数值模拟、实验研究及塞式喷管底部自身特点结合起求，找出采式喷管底部压强的一般规律，建立了适合于工程应用的底部压强计算模型．结合40％和120％截短塞式喷管的实验数据，验证了底部模型的正确性。塞式喷管底部流动是超声速流的大分离流动，该模型对底部压强的预示比有限差分法具有更高的精度。     

固体火箭发动机喷管型面最佳化技术的研究

本文分析了喷管型面结构对固体推进剂火箭发动机性能和效率的影响。本研究使用三种分析方法,它们是:赫克力斯的Ⅰ_(SP)法(HIMET),固体性能程序(SPP)和普度大学 Jo-seph Hoffman 博士的直接寻求法。这些分析方法确定发动机中的流动和热损失,并以比冲(I_(SP))损失表示。在本分析中,分别考虑了扩散、摩擦、热、粒子滞后、侵蚀和化学不平衡等方面带来的损失。对采用抛物线、园弧线和特征线的喷管型面的发动机进行了性能比较。在固定喷管外轮廓(长和直径)不变的条件下研究了典型的低空和高空工作的发动机。这些计算结果对喷管型面设计有了有益的深入理解。本研究指出:第一,最佳起始扩散角随所采用的喷管型面和分析方法而变;第二,对于给定的喷管外轮廓,不论是抛物线型面、园弧线型面还是特征线型面,所获得的最大比冲基本上是相同的;第三,如果喷管型面不是最佳,就会出现明显的性能损失;第四,分析的Ⅰ(SP)预示方法能有效地用于固体推进剂火箭发动机的喷管型面设计;第五,可延伸出口锥能改进主喷管的性能。     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

"长二丙改"上面级CPKM发动机喷管两相粘性流动数值模拟研究

对“长二丙改”火箭上面级CPKM发动机喷管的高空性能进行了预示。气相采用显式MacCormack差分格式、颗粒相采用特征线法,数值求解采用轴对称二维两相粘性流动模型。对CPKM发动机喷管进行数值模拟,所得的发动机平均推力与实测性能数据相比较,相对误差为2．3％。研究表明,所采用的流动模型和数值模拟方法,对高空大面积比喷管性能进行的预示是有效的。     

基于减小初始扰动的弹管间隙优化设计方法

针对火箭/发射装置系统,用牛顿-欧拉法建立了火箭和发射管的动力学方程组,基于MATLAB平台编写了方程组求解程序,在此基础上分析了弹管间隙对火箭初始扰动的影响,并利用二次回归模型求出了弹管间隙的最优解。计算结果表明,初始扰动角和角速度是弹管间隙的二次函数,而最优弹管间隙为该二次函数构成的齐次方程的解。该方法能为火箭发射系统的设计提供参考。