大膨胀比火箭发动机喷管流动分离与气动弹性分析

以某大膨胀比的最大推力喷管为分析对象,研究其在分离状态下的气动响应性能.利用有限体积二阶迎风插值格式及SA湍流模型,结合二层增强型壁面函数,分析喷管内部的流动状态,详细讨论了该喷管流动中出现气流分离模态由自由激波(FSS)到受限激波(RSS)的变化情况.采用弱耦合CFD/CSD分析的方法,计算分离状态下喷管壁面瞬态的气...     

火箭发动机喷管分离流动仿真分析

采用数值方法研究在分离状态下的最大推力喷管流动状态,讨论了不同湍流模型对分离流动的影响,在此基础上详细分析了喷管流动中出现气流分离模态由自由激波（FSS）到受限激波（RSS）的变化情况。在稳态仿真基础上开展非稳态分析,并综合小波分析、结构有限元方法分析了侧向载荷影响。研究结果表明,喷管内压强脉动为低频脉动,该脉动频率范围与喷管固有频率有交叠,可为后续的喷管气流分离侧向载荷分析及验证试验提供基础。     

水环境下喷管流动分离数值研究

为了研究水环境下发动机喷管流动分离现象以及影响因素和规律,基于VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型,建立了水环境下固体火箭发动机喷流流场数值仿真模型,并进行了不同喷管扩张比和NPR(燃烧室总压与环境压强之比)下的喷流流场数值模拟。通过数值仿真分析获得了水环境下喷管内发生流动分离时推力、压力特征和流场非定常变化特征,水环境下喷管内流动分离具有强烈的非定常振荡特征,分离激波会在分离点与发动机喷管出口之间呈现推进-返回-推进周期性振荡的流动特征。同时,获得了喷管扩张比和NPR对流动分离特征的影响规律,相同水深环境下不同扩张比喷管对流动分离点位置影响较小; NPR越小,流动分离点的位置处喷管扩张比越小。     

火箭发动机喷管中气流分离预估的现状

在过膨胀火箭发动机喷管中,当壁面气流压力与环境压力之比达到一定值时气体会从喷管壁分离。这种气流分离及其理论预估是过去十年中试验和理论研究的课题,而且为预估气流分离而建立的各种模型和所做的各种假设已经得到很大发展,既有理论模型,也有纯经验模型。本文借助于在 DLR(德国航空航天研究院)所建立的数据库,对不同模型进行了论述,几乎包括了所有公开发表的气流分离数据。本文对一种新的、更加准确的分离准则提出了看法。试验时,在喷管中观察到两种不同的气流分离现象,即自由激波分离和受限激波分离。对这两种现象都进行了详细讨论,并描述了压缩波和膨胀波。对于自由激波,排气羽流中可以产生三种不同的激波结构:有规则的反射激波、马赫盘及帽状激波。这些激波除了存在于过膨胀喷营外,在满流喷管中也存在。对现有火箭发动机喷管,如 SSME 或火神号发动机喷管,所得到的数值结果与试验照片在定性方面是一致的。对不同类型的激波现泉进行了讨论。另外,对至今还未深入了解的受限激波分离现象也给出了解释,分析了它产生的原因和条件。结果是喷管型面的形状极大地影响着气流分离的形式。根据气流分离得到的这些结果,提出了对侧向载荷产生原因的看法。     

固体火箭发动机喷管分离流动数值模拟及试验研究

对地面条件下大面积比喷管出现的分离流动进行了数值计算分析和试验。首先,利用商用CFD软件进行做数值计算,计算了多种工况,分析了燃烧室压强、喷管型面对分离流动的影响;然后,利用某型号固体火箭发动机进行喷管分离流试验,测得了喷管壁面上沿轴向的压强分布数据。试验捕捉到的与流场数值计算中得到的分离点位置相近,验证了流场数值计算的准确性,数值计算和试验为进一步深入研究打下基础。     

快速升压过程喷管侧向载荷流固耦合分析

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的侧向载荷,采用三维数值仿真方法进行分析。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,结合FLUENT中UDF功能,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。计算结果发现,此大膨胀比喷管在快速升压阶段先后经历了自由激波分离和受限激波分离;分析得出了较强的侧向载荷主要由不对称的燃烧波、激波转变和喷管出口部位的激波震动3种状态产生;侧向载荷的大小也与快速升压的时间快慢有较大关系。采用流固耦合计算方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境,为更深入研究大膨胀比喷管侧向载荷提供了支撑。     

斜切反喷管性能分析

固体火箭发动机前端斜切反喷管，其结构简单、作用时间短、气动型面具有尖点，并在超音速区有台阶，喷管内存在一系列激波，并伴有流动分离现象。本文从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，结合采用Ｂｏｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，利用时间相关法及ＭａｃＯｃｏｒｍａｒｋ两步显格式求解，模拟了斜切反喷管流场。计算得到的壁面压强分布与风洞吹风实验测得的压强分布相一致。该方法可应用于斜切反喷管的     

火箭垂直回收中发动机布局与喷流壁面效应影响研究

针对重复使用火箭垂直着陆过程的喷流流场问题开展研究,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了壁面效应和发动机布局对超声速喷流的影响。研究表明,着陆距离(L)在2.24D～11.2D(D为喷管出口的直径)的范围内,地面效应对喷管出口中心处的温度分布影响较小;在当前计算条件下,当L<2.24D时,超声速喷流撞击地面会形成强烈的激波,随着离地高度的降低,该激波位置往喉部方向移动,由于壁面效应,喷管内部形成斜激波,导致中心喷管壁面处的温度升高;中心喷管相对外侧喷管往外突出增大了壁面流动速度,导致外侧喷管出口的温度降低;研究还表明子级火箭底部端面的喷管数量增加后,会导致喷管的温度升高。研究结果将为火箭发射及回收方案选取提供参考。     

比例式变推力固体姿控发动机非稳态特性研究

为了研究比例式变推力固体姿控发动机的内流场非稳态特性,建立了比例针栓推力器的二维轴对称计算模型,基于动网格技术模拟入口压强随喉部面积变化而变化的推力器工作模式,得到了内流场各性能参数的变化规律。结果表明:在非稳态工作过程中,内流场会出现典型的亚音速回流区、斜激波和流动分离等特征,入口压强、针栓壁面及喷管壁面压强均随针栓靠近喉部而增大,推力器推力逐渐上升,实现了推力连续调节。开关频率会加剧针栓前进过程中头部压强波动。针栓头部收敛角越大,其头部回流区越小。当喉部面积一定时,燃速压强指数越高,发动机压强与推力变化范围越大,为实现预设的推力调节范围,需要选择合适的燃速压强指数。     

地外天体上航天器起飞瞬时羽流对主发动机干扰效应影响

与地面运载/导弹发射相比,地外天体起飞航天器的主发动机在受限空间内点火瞬时,将短时处于非自由流态的工作环境条件下;羽流激波进入喷管内部且可能产生"激波贴壁",对发动机喷管造成力、热综合效应,影响发动机工作的安全可靠性。文章从地外天体受限条件下羽流对发动机的影响要素出发,完成地外天体受限条件下的羽流建模和仿真分析,给出激波在喷管内的分布形态和变化规律并进行试验验证。所得结论可对地外天体起飞航天器的构型布局设计、导流设计和主发动机工作安全性评估提供参考依据。     

超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀动态仿真

针对超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀导致的壁面退移,基于动网格技术建立了相应的动态仿真模型,实现了对不同燃烧室条件下喷管化学烧蚀率的预示。初步稳态计算得到喉部烧蚀率为0.048 6 mm/s,高出试验结果5.67%,验证了仿真设置的合理性。以此状态结果为瞬态计算的初场,进行相应的化学烧蚀动态仿真计算。该喷管的矢量角放大系数在0.5 s仿真时间内因壁面退移减小了0.42%,对称面下侧分离线结构附近因燃气流动受阻成为喷管烧蚀最严重的位置,烧蚀率为0.074 5 mm/s。增大燃烧室压强或温度,会导致同周向位置的分离线后侧与前侧壁面烧蚀率比值减小。对于分离线附近型面变化较小处,压强5.5 MPa增加到7.5 MPa,该比值减小了10%,温度3200 K增加到3600 K减小了15%。     

固体火箭发动机潜入和非潜入喷管内流场模拟及对比

利用FLUENT流场计算软件,对采用潜入和非潜入喷管的全尺寸固体发动机,采用二维轴对称模型和准定常方法进行了内流场模拟计算和对比分析.结果表明,喷管潜入结构可有效地降低发动机后封头壁面附近的燃气速度,从而比非潜入发动机有更好的热防护环境;两种发动机在燃烧室内压强、速度和温度分布大致相同,非潜入喷管发动机在喷管出口轴线处燃气速度比潜入喷管发动机的大,而温度和压强较低.     

双股气流对流体控制矢量喷管的影响

利用有限体积法求解三维雷诺平均N-S方程,对激波诱导矢量控制方案下的二元收敛-扩张喷管全流场进行了数值模拟,同时与试验结果进行了对比,进一步讨论了开孔位置对喷管矢量性能的影响。研究表明,要获得较好的矢量性能,必须减小壁面反射激波的作用,因此应该调整开孔位置使得第一道斜激波延伸至喷管出口附近;严重过度膨胀状态下,较好的双股气流方案下喷管获得的矢量效率要优于单股气流方案;而在设计状态附近,两种方案下获得的矢量效率和推力损失基本相同。     

固体火箭发动机喷管扩张段型面参数对其性能影响仿真分析

固体火箭发动机喷管扩张段型面直接影响喷管内燃气膨胀和壁面压力分布,优化扩张段型面参数是提高喷管效率的有效途径。采用欧拉-拉格朗日数值方法仿真分析了椭圆-三次曲线型喷管在扩张段不同出口半角、初始扩张半角、长径比和扩张比等型面参数下的两相湍流特性及推力性能,数值模拟与基准型面喷管试验结果对比良好。不同型面参数喷管计算结果对比显示,出口半角对喷管推力影响较小,而初始扩张半角对其影响相对明显。流场特性分析表明,扩张段不发生内激波相交时,因避免燃气二次压缩而有利于提升喷管推力。与基准型面喷管相比,适当增大初始扩张半角和减小出口半角,能够改善扩张段内激波结构,提高喷管性能。此外,固定扩张比,长径比小于1.2时,随长径比增大,喷管出口轴向速度积分增长较快,推力收益增速明显。固定长径比,扩张比增大能提高喷管推力系数,但两相流损失随之增加,导致喷管效率降低,综合来讲喷管推力呈上升趋势。     

气动塞式喷管底部压强模型研究

为了解塞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,将塞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,底部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来,找出塞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20%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分离流动流固耦合数值仿真

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的分离流动,采用数值仿真方法进行分析,并与试验进行对比。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。耦合计算结果发现,此大膨胀比喷管发生气流分离,且分离处斜激波后的气流温度与压力变化较大,采用流固耦合数值方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境。耦合计算结果与试验进行对比得出,耦合计算得到的分离位置能很好地拟合实验测得的气流分离位置,说明了流固耦合数值方法的有效性,为更深入研究大膨胀比喷管分离流动现象提供了支撑。     

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。     

收敛-扩张喷管中运用次流推力矢量控制技术的计算研究

采用二阶1TVD格式的有限体积法耦合RNGκ-ε湍流模型和非平衡壁面函数求解二维守恒型雷诺平均N-S方程,数值模拟了运用次流椎力矢量控制技术的二维收敛-扩张喷管中的流动现象。计算结果表明,随着喷管压比的增加,次流喷射所产生的激波向扩张段下游移动,且喷管矢量角不断减小到一固定值;次流压比的增加将导致激波向扩张段上游移动,且喷管矢量角不断增加;次流压比对激波和矢量角的影响比喷管压比更强。     

斜切喷管性能模型验证

本文介绍了斜切喷管性能预示模型的适用范围。影响模型适用范围的因素是三维流压强和(或)边界层的分离.使用专用设计的固体火箭发动机,进行了多种斜切喷管结构静态点火试验。由试验结果确定了性能模型的适用范围.     

某发动机整机模态分析

为了获得某型号发动机的动态特性,采用有限元方法进行了发动机整机的模态分析。按照由组件到整机的思想,分别建立了各个组件的有限元模型。重点对推力室和喷管的建模方法进行了分析。将推力室按等效刚度法等效为单层壳,喷管按结构特性等效为正交各向异性壳,并将喷管计算结果同模态试验结果进行对比,验证了喷管建模方法的准确性。各组件模型组装为整机有限元模型,计算得到了整机的模态分布。数值计算结果同模态试验结果吻合较好。