多喷管液体火箭动力系统尾焰流场特性研究

为深入研究多喷管液体火箭动力系统尾焰流场特性,以由10台液体火箭发动机组成的多喷管动力系统为模型,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型的N-S方程描述尾焰流动过程,考虑复燃反应的影响,并运用压力的隐式算子分割(PISO)算法进行求解,实现了以液氢液氧和液氧煤油为推进剂的两种不同发动机尾焰的混合计算,得到了不同飞行高度下火箭动力系统的尾焰流场结构及其参数分布情况。结果表明:随着飞行高度的升高,尾焰的膨胀角度越来越大,尾焰间的相互作用加强。由于复燃反应及尾焰间相互作用影响,尾焰流场会出现局部高温区域,同时火箭底部及喷管周围会出现旋流,旋流会卷吸尾焰高温燃气,从而会对火箭底部进行烧蚀,需要对其采取相应的热防护措施。     

液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击效应

为研究液体火箭发动机尾焰对发射平台的冲击效应特性,建立液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击数值计算模型.针对液氧/煤油发动机尾焰对发射平台冲击特性,基于建立模型研究了喷管出口距离平台3,5m工况下推进剂流量和复燃对冲击特性的影响,并分析了影响差异及其产生差异的原因.结果表明:尾焰自由射流区的激波膨胀、压缩距离和壁射流区面积随推进剂流量的增大而增大;考虑复燃化学反应不仅改变了自由射流区和滞止区的形状结构,而且增大了壁射流区的面积和温度;复燃和推进剂流量均是通过影响尾焰结构对冲击特性产生影响,具体影响效果与喷管出口和发射平台间距离有关.      

液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响

为深入研究液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响,建立了一个适用于液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的计算模型。利用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中复燃反应采用有限速率化学反应模型;采用HITEMP数据库利用逐线积分法(LBL)计算尾焰气体的辐射气体参量;采用反向蒙特卡洛法(BMC)求解辐射传输方程,得到尾焰复燃流场的红外辐射特性。结果表明,复燃反应可大幅度改变尾焰流场特性,进而改变尾焰红外辐射特性。相比于冻结流,反应流流场温度和主要辐射气体含量最大增幅分别可达15.4%及47.5%,主要辐射波段内辐射强度最大增幅可达31.5%。随发动机飞行高度增加,复燃反应所引起的红外辐射强度增量随之降低。     

UDMH/NTO火箭发动机尾焰流场特性数值仿真

采用AUSM(advection upstream splitting method)空间离散格式,探究了常用的3种k-ε湍流模型和2阶、3阶迎风格式对激波捕捉效果的影响。采用标准k-ε双方程模型和2阶迎风格式对不同高度和不同来流马赫数下的偏二甲肼/四氧化二氮(UDMH/NTO)火箭发动机尾焰流场进行喷管-尾焰流场一体化仿真。复燃反应采用12组分18步化学反应模型,喷管入口参数由热力计算给出。结果表明:随着来流马赫数的增加,波节数逐渐降低;随着飞行高度的上升,尾焰影响区域逐渐扩大;复燃反应造成混合区中的O2、N2质量分数大幅下降,而混合区中O、OH、NO质量分数则有所上升。      

注水参数对火箭喷流流场的影响规律研究

为了研究火箭起飞时不同注水参数对火箭尾焰喷流流场的影响规律，以某火箭发动机缩比喷管为研究对象，基于计算流体力学（CFD）方法及Mixture多相流模型开展了注水时单喷管火箭喷流流场的数值计算研究。以注水速度、流量、位置等注水条件为变量，量化分析了注水对火箭喷流平均温度、压力、速度和湍动能场的影响。结果表明：注水速度大于30 m/s时，可有效降低喷管射流的温度和速度，当注水速度低于20 m/s时，注水对喷流轴线上物理量的影响变小；注水速度为30 m/s，且流量大于2.2倍喷管射流秒流量时，可以有效降低喷管射流温度和速度；注水与喷流作用点位于喷管射流前三个激波位置时，注水对喷流降温降速效果较好，且作用点越靠近上游，对喷管射流的影响越明显，但实际工程应用中应避免注水溅到喷管上。     

火箭发动机出口参数对喷焰流动及辐射的影响

基于详细化学反应机理+逐线积分法+视在光线法开展了火箭发动机喷焰流动与辐射特性研究,分析了不同化学反应机理对流动与辐射的影响,利用地面试验数据校验了模型的正确性,并详细分析了火箭发动机出口参数变化对喷焰流动及辐射的影响规律。研究结果表明:喷管出口温度增加,对流场结构影响较小,但会显著提升喷焰的复燃效应;喷管出口压强增加,会对流场马赫波系结构产生影响,但对喷焰二次燃烧影响较小;喷焰红外辐射强度会随着出口温度或出口压强的升高而增加,且红外辐射强度与出口推力正相关。      

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

火箭弹发射过程冲击流场压力和温度实验测量

考虑燃气流场的冲击效应，根据冲击特点对燃气作用区域的装置结构和强度进行合理的设计，以获得有效的导流和防护效果。实验对火箭发射阶段管后冲击流场在平面斜钢板上的流动参数进行了测量。得到了火箭燃气射流对倾斜钢板热冲击的最大滞止压力和温度，以及冲击流场的压力与温度分布，并确定了管后燃气冲击流场的危险区域。     

飞行参数对射流矢量喷管内流场影响的数值模拟

采用三维雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机燃气二次喷射矢量喷管内外流场进行数值模拟,研究飞行参数对矢量喷管内主/次流耦合流场的影响。结果表明,自由来流造成喷管出口附近压力变化,通过喷管内壁面附面层作用影响喷管内部流动特性。飞行马赫数为超声速,或者环境压强较低时,侧向力大小与飞行参数无关。在低空亚声速流中,侧向力随飞行马赫数增加迅速减小,随环境压强降低而减小。     

尾部二次喷流抑制喷管分离流动的数值研究

以某液体火箭喷管缩比模型为研究对象,分析了相应的流场形态和二次流喷嘴喷射角度、面积比及其工质总温等参数对喷管分离流动抑制效果的影响.结果表明:当采用二次流喷嘴时,喷管达到满流所需的入口总压下降了37.8%,随着喷嘴喷射角度由0°增至25°,喷管流动分离点位置向喉部推进约0.01m,抑制效果明显变差,而随着喷嘴工质总温由300K升至1500K,喷管流动分离点位置向出口推进约0.005m,抑制效果略有增强,喷嘴面积比在保证其不出现分离流动时对抑制效果没有影响,否则会使抑制效果变差.