火箭发动机塞式喷管流场的数值研究

用时间相关法和张涵信的无振荡、无自由参数ＮＮＤ显式格式,对火箭发动机塞式喷管二维轴对称定常流场进行了数值模拟。计算得到了有粘和无粘中两种情况下,喷管流场的马赫数压强、温度、流线以及速度矢量分布图,计算网络采用代数方法生成,并通过求解Ｌａｐａｃｅ方程对网格进行修正。计算结果表明：ＮＮＤ格式用于计算塞式喷管流场具有较高的效率和良好的分辨率;无粘和有粘情况得到的流场结构有较大的差别;基础喷管的出口马赫数     

气动塞式喷管底部二次流特性的数值模拟

发展了一套可以对底部有二次流的气动塞式喷管的性能进行预示的数值方法，采用二阶精度的NND格式求解二维层流N-S方程，对底部二次流的入口边界条件进行了特殊处理。以一种实验用的直排式气动塞式喷管为对象，针对两种不同的背压条件，对二次流流量分别为主流的0%，1%，3%和5%的几种工况研究了塞式喷管底部二次流流量变化对喷管性能影响。计算结果表明，底部二次流的加入使得气动塞式喷管性能有比较明显的提高。数值方法可以用于气动塞式喷管的设计和性能预报。     

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。     

“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。     

塞式喷管化学反应非平衡流动的数值模拟

对塞锥流场采用七组元八反应模型,对内喷管流场采用六组元八反应模型,数值模拟了氢氧塞式喷管的流动参数、组分质量分数和热力学参数的分布,并把化学反应非平衡流动和冻结流动的流场进行了比较。在边界层和底部回流区内,燃气流速低、温度高,组分O2,H2,O,H,OH的含量比主流内高,而H2O的含量比主流内低。绝热指数随温度的降低而增大,气体常数随温度的降低而减小。外界空气对塞锥流场的影响只限于流动剪切层,对塞锥主流的影响不大。     

C-H-O-N体系液体火箭发动机喷管流场数值模拟

采用弱耦合点隐式方法的MacCormack格式对C－H－O－N体系的液体火箭发动机喷管粘性流场进行了数值模拟，采用了考虑化学反应和不考虑化学反应的两种模型，其中化学动力学模型为C－H－O－N体系的12组分、14反应有限速率的化学反应模型。数值模拟得到了流场参数在喷管中的分布，结果表明，数值模拟结果与理论分析一致，为发动机的设计及试验提供了参考。     

塞式喷管模拟实验及数据采集系统

为了了解塞式喷管性能,采用固体推进剂对塞式喷管单元发动机进行了模拟实验。重点介绍了塞式喷管单元发动机模拟实验的实验系统和高精度测量系统以及数据采集软件。同时,简单说明了数据处理的方法。最后给出了典型的实验结果,该结果对塞式喷管的设计、理论研究以及数值计算有重要的参考价值。     

塞锥侧板对直排塞式喷管性能的影响

为了解塞锥侧板对直排塞式喷管性能的影响,提出了对应着同一个塞锥的不同形状和高度的侧板。采用数值模拟的方法,得到了带有不同侧板的直排塞式喷管在不同工况下的流场和性能。比较了不同侧板形状和高度对直排塞式喷管性能的影响。结果表明:带有曲边侧板的塞式喷管的性能略高于带有直边侧板的塞式喷管,但不超过1%;没有侧板时塞式喷管性能要下降4%～6%;塞锥侧板的高度应不小于内喷管出口的高度,低于内喷管出口高度的侧板会降低塞式喷管性能;当侧板高于内喷管出口时,直排塞式喷管性能不随侧板高度的增加而增大。最后定性分析了带有不同侧板塞锥的流场结构,找出了产生这种结果的原因。     

塞式喷管底部二次流的数值模拟研究

从 N-S方程出发 ,采用二阶精度的 NND格式对塞式喷管的流场进行了数值模拟 ,重点研究了一线性塞式喷管底部二次流在低中高空的特性。研究表明 ,塞式喷管底部回流区的消失不仅与二次流流量大小有关 ,而且与底部压强有关 ;加入二次流会使塞式喷管的推力上升 ,但在大多数情况下其比冲会下降 ,只有特定压强比条件下 ,加入少量的二次流比冲才会上升     

塞式喷管型面优化

为了使塞式喷管发动机的总冲最大,利用数值计算方法对塞式喷管型面进行了全习过程的优化。详细介绍了优化模型的建立过程及优化的假设与步骤,最后给出了典型优化的结果,其结果对塞式喷管的型面设计有很大的参考价值。     

复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟

研究了球面收敛矩形扩张的二元喷管（ＳＣＦＮ）流场的数值模拟,为了有效地捕获激波与滑流面及较好地模拟分离,采用了Ｒｏｅ格式、ＭＵＳＣＬ方法及Ｖｅｎｄａｔａｋｒｉｓｈｎａｎ限制器、Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ方程紊流模型。研究中给出了两个喷管模型四个流动状态的数值模拟结果。结果表明,除了有严重分离的流动情况以外,该算法能得到相当满意的计算结果。     

影响喷管流动分离的因素

应用 Beam- Warming近似因式分解方法差分求解薄层 N- S方程 ,对某型发动机在多种工况下的分离流场进行计算。结果表明 ,燃烧室总压与环境压强的比值控制分离点位置 ;对于相同的喷管扩张段型面 ,喷管面积比对分离位置的影响小 ;扩张段较长的喷管分离点面积比较小     

长尾喷管两相流流场计算

为了给长尾喷管热防护结构的烧蚀和温度场计算提供准确的热边界条件，从二维轴对称N－S方程出发，采用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长层喷管纯气相流场和两相流流场，分析和比较表明：在长尾喷管喉部附近以及扩散段的相同轴向位置，两相流情况下轴线上的燃气马赫数小于纯气相情况下的燃气温度；在进行长尾喷管热防护结构设计时应以两相流流场作为热边界条件。     

瓦状塞式喷管冷流实验研究

为了掌握瓦状塞式喷管更多的特征，采用空气作为介质，对一瓦状塞式喷管进行了底部限流板、底部二次流及内喷管倾角对性能影响的冷流实验。研究结果表明：在低中空，底部压强一般比环境压强要低；塞式喷管底部加入二次流可以增加底部压强，但底部二次流对性能的影响在1％－2％以内，少量的二次流对增加性能的效果较好，而加入更多的二次流则效果有限；增大内管倾角，可以增大底部压强即增加底部推力，但存在一个最佳倾角，使最大效率最大；本次冷流实验的瓦状塞式喷管最高效率为96％，其高度补偿效果较为明显。     

固体火箭燃气射流近场形成与发展的数值模拟

固体火箭武器燃气射流的近场区域存在有复杂的波系，膨胀波、压缩波的混合作用是机-弹、弹-舰相容性研究的重要内容，复杂波系压力、温度场的分布是燃气射流动力冲击和热冲击作用的直接因素。因为这一区域流动的复杂性，使得实验研究非常困难。为此应用数值分析的方法，研究了固体火箭高度欠膨胀燃气射流流场起始冲击波、近场波系的形成及发展。计算结果揭示了近场区域的一些特性，与文献提供的数据较为吻合，为工程应用提供了帮助。     

姿控发动机喷管内流场的DSMC并行算法

在分析了直接仿真Monte-carlo（DSMC）方法内在并行度的基础上，针对工作站群机并行系统（NOWS）分布主存的特点，构造了适合于DSMC仿的并行算法模型，在PVM环境下将其应用于姿控发动机喷管内流场的DSMC仿真，结合并行算法效率评价准则对如何提高并行计算效率进行研究。仿结果表明了实施DSMC并行计算的必要性与有效性。