并联冷凝管辐射器实验研究

针对两相流系统并联冷凝管辐射器中各冷凝管流量分配不均匀及汽-液分离问题,首先进行了理论分析;根据理论分析的结果,利用环路热管作为动力源,建立两相流并联冷凝管辐射器实验系统,并进行了实验研究。理论分析和实验结果表明:在并联冷凝管辐射器的各冷凝管上安装的毛细隔离器不仅使各冷凝管的流量分配均匀,而且在一定程度上能够阻止蒸汽进入液体回流管,起到汽-液分离的作用。     

液氢贮箱的掺混和瞬态表面冷凝

为了研究轴向射流掺混对有热防护层的液氢贮箱压力降低的影响,国外进行了大量的试验性研究。试验用的贮箱是一个近似的圆柱体,体积0.144m~3,直径0.599m.长0.711m。在贮箱内距箱底0.178m 处安装了一个射流泵,射流出口直径为0.0221m,用于产生轴向的掺混并促进箱内液体的循环。液体加注量范围为贮箱体积的42～85％,射流量为0.409～2.43m~3/hr。掺混试验开始时贮箱的压力范围为187.5kPa 至238.5kPa,在这种压力下热分层导致了4.9～6.2K 的液体过冷度。试验确定的参数有掺混时间和在气液界面处瞬态冷凝速率。建立了基于热平衡和压力平衡两种掺混时间之间的关系。两种掺混时间都可以表示为系统结构和浮力参数的关系式,且同其他试验的试验值吻合得很好,修正了根据蒸气和水的试验数据而得到稳态冷凝速率的关系式,建立了冷凝速率与射流过冷度的关系。目前对有限的液氢试验数据分析研究表明,如果引入射流过冷度和气液界面湍流强度,修正后的稳定冷凝速率关系式可以用于预测掺混过程中的瞬态冷凝速率。     

射流在不可压气流中破碎过程高精度数值仿真

研究液体射流在不可压气流中破碎过程的难点在于捕捉射流柱表面细节特征。采用基于Gerris开源代码的树形自适应加密算法和VOF方法对射流袋式破碎和剪切破碎的典型算例数值计算,实现了射流柱从变形、弯曲到破碎成液滴的全过程可视化,清晰的捕捉到了射流柱表面形成的表面波,计算得到的射流轨迹、破碎长度和液滴空间分布均与文献中实验结果很好的吻合。直观表明表面波导致射流柱不稳定,射流袋式破碎液滴较大,剪切破碎液滴平均直径约为60μm,基于Gerris的高精度数值算法有助于进一步认识射流破碎机理和高效评估破碎效果。     

液滴发生器均匀液滴生成过程的动态特性

为了提高液滴发生器生成均匀液滴的稳定性,研究了液滴生成过程的动态特性。在传统射流表面波不稳定性理论的基础上,考虑液滴发生器动态特性的影响,建立了组合动力学模型,确定了传递函数与传递矩阵,并就Re数与We数等对射流表面波增长率的影响以及喷嘴长径比对液滴生成过程动态特性的影响规律进行了分析。采用丙二醇作为液体工质进行了计算与试验校验,结果表明当生成的液滴速度大于19m/s时,组合动力学模型计算得到的最优无量纲波数较射流表面波不稳定性模型结果偏差超过6%;而对于液滴速度30m/s设计工况,两种模型计算结果偏差近10%,此时液滴发生器动态特性的影响不能忽略。     

超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程数值研究

采用Euler-Lagrange方法对来流马赫数为1.94的超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程进行数值研究。计算给出的射流穿透深度、液滴Sauter平均直径(SMD)及液滴速度分布均与实验吻合较好。仿真结果较详细地揭示液体射流喷雾与气流之间的强烈相互作用过程。受液雾影响,射流前形成较强激波,气流依次经过激波及液雾区域,气流速度存在两次下降过程。计算结果揭示,超声速来流可以与射流的液滴轨迹相交,气流经液雾前沿进入液雾区域后,流向往壁面偏折。本文首次发现并提出,由于气液相互作用诱导形成两组反向反转漩涡对,这对于理解两相混合过程具有重要意义。气液相对滑移速度的分析表明,液滴在穿透自由来流并开始转向时受气流作用最为显著,完成转向后气液相互作用逐渐减弱。     

发射场液体推进剂毒性危险性的定量分析

讨论了航天发射场液体推进剂泄漏及蒸汽逸散的模式，并建立了定量分析模型。在给定条件下，计算了推进剂排放、泄漏时工作区域蒸汽的质量浓度和下风向的中毒范围。在此基础上，提出了安全措施建议。     

燃气蒸汽式发射动力装置复杂内流场数值模拟

水下发射的燃气.蒸汽式发射动力装置内是一种包含了高温高压燃气湍流流动、冷却水射流的形成、喷嘴出口处的一次雾化、在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化、含相变的水、汽两相流动等复杂的流动过程.应用CFD技术对水下发射试验低压强点和高压强点进行了含相变的三维两相加质流场数值模拟.结果表明,采用雾化理论和数值仿真技术计算得到的流场形态、特征点状态参数以及冷却水汽化情况等与试验结果基本吻合,这种新的计算方法可作为发射动力装置研究的一种有效手段.     

直流自击式喷嘴雾化特性研究

直流自击式喷嘴广泛应用于液体火箭发动机喷注器,但对于其雾化机理及特性的研究基本上都是建立在冷态试验和发动机热试车的基础之上.从喷嘴射流的受力分析着手,建立了射流破碎的物理模型,计算中考虑了影响该型喷嘴雾化特性的主要因素,并与相关实验结果进行了对比分析,说明了该物理模型具有一定的参考价值.该模型可以在燃烧流场计算时作为雾化初始条件使用.     

边界层内水介质在压差驱动下沿小孔向气腔射流问题研究

对边界层内小孔气水多相流场下射流问题开展数值仿真及定常水洞试验研究,建立了适用于边界层内压差驱动下小孔向气腔射流多相流场问题研究的数值仿真计算模型,针对典型孔参数及气水流场条件,对比分析了仿真试验数据,验证了数值仿真模型的正确性及模型计算精度。结合流体质点受力及运动模型及平板边界层理论,分析了气水域压力场特征及水域流动规律对小孔射流过程的作用机理及影响规律,开展了孔参数对射流多相流场特征及射流量的影响研究。获得了小孔射流量估算方法,为航行体上防水装置设计提供数据支撑。     

基于燃气射流控制的可调进气道数学模型研究

针对固定几何形状冲压发动机超音速进气道在高马赫数状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室或燃气发生器引入燃气喷入外压缩面和喉道,实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案。采用数值方法计算了不同马赫数工况下,喷射条件变化时进气道的性能参数。根据流场数值计算结果,采用B样条理论建立了燃气射流控制可调进气道数学模型,利用此数学模型可确定进气道外部斜激波位置以及总压恢复系数随工作马赫数和射流喷射条件的变化关系。结果表明,随着射流入射角度和射流流量增大,射流调节能力呈增强趋势。     

蒸汽喷射器理论设计及数值模拟对比研究

为验证Cоколов喷射器设计理论的工程适用性，用该理论对纸厂回收乏汽用喷射器进行了设计并采用Fluent进行了模拟。Cоколов理论认为工作蒸汽和引射蒸汽在混合室中经历的是边混合边升压过程，而数值模拟得到的结果是工作蒸汽及引射蒸汽在混合室中进行等压混合，在混合室末端依靠激波进行升压。理论计算与数值模拟相比，引射蒸汽量相差4％，喷射系数相差9％。就满足工程需要而言，Cоколов理论能正确指导喷射器的设计。     

四喷管射流流场的数值模拟及分析

本文分析了ENO格式的特点，并应用于全NS方程的迁移项和压力项，模拟了三维射流，首先计算了四喷管射流干扰流场，给出了相应的计算结果，指出了其四股射流外部有形成类似一股射流波系的趋势，而内部四股射流始终存在并相互作用，且伴随流对内部干扰流场有重要影响；然后计算了四股射流流入圆管内的流场，给出了壁面和截面物理量的分布，分析了其拓扑结构。     

一种新的模拟固体火箭发动机射流铝颗粒燃烧的方法

在总结以往火箭射流数值模拟的基础上,采用多组分有限速率化学反应模型模拟气体在喷管后的复燃,并引入拉格朗日颗粒轨道模型来模拟由Al和Al2O3组成的混合颗粒.通过快速欧拉模型得到AlO3,烟尘的速度场,然后通过质量、动量、能量源项将气体相、颗粒相和烟尘相三者联立耦合计算来模拟铝颗粒的燃烧和燃烧产生的烟尘颗粒对整个射流结构的影响,为以后更准确地计算射流红外辐射特性提供了理论工具.     

合成射流激励器增强同向燃气-氧气掺混数值模拟及机理研究

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道及外部受控流场作为单连域计算处理的全流场计算模型(X L模型)。基于此计算模型,对合成射流激励器增强同向燃气 氧气掺混的流场进行了数值仿真和机理研究。研究表明,应用合成射流激励器可以显著增强同向燃气/氧气的掺混,其主要控制机理是合成射流激励器对同向燃气/氧气流起到流动方向控制作用,使两侧两股氧气平行射流向内发生偏转,从而大大缩短了每股射流的核心区长度;同时,激励器工作改变和加强了射流出口附近的涡结构,通过涡结构的强对流作用极大地增强了燃气/氧气平行射流在出口附近的混合。     

液体推进剂火箭爆炸辐射效应研究

本文提出了液体双组元推进剂火箭爆炸热辐射效应理论计算模型，并介绍了四氧化二氮／偏二甲肼推进剂爆炸实验研究结果。利用该理论模型计算了液体推进剂火箭爆炸时产生的火球直径，火球温度，火球持续时间，火球漂移，火球辐射热流，高空环境对火球尺寸的影响，火球热辐射破坏危险距离等。理论计算结果与实验测量结果吻合。该理论计算模型可为载人航天器逃逸系统工程设计和航天靶场建设提供有价值的理论分析数据     

冲压发动机风洞引射器引射性能模拟

蒸汽引射器是冲压发动机试验台用来实现高真空度的重要设备,其工作环境复杂,性能优化较为困难。简化并建立蒸汽引射器的模型,通过Fluent软件对其工作情况进行数值模拟,分析工作状态下引射器内流场变化情况,并利用控制变量法分析引射器中水蒸气含量、工作流体压力、引射流体压力等工况参数对引射器工作能力的影响。通过与试验数据的对比,验证模拟结果的可信度。结果表明:引射流体流量增大时,引射器效率升高;引射流体中水蒸气从0变化到50%时,引射系数由0.45降至0.36。而当工作流体入口压力由1.07 MPa升至1.42 MPa时,引射系数由0.41降低至0.33;引射流体入口压力由12 kPa升至54 kPa时,引射系数由0.12升高至0.43,故在优化设计时应综合2个入口压力的影响。     

液体亚燃燃烧室点火装置工作特性数值研究

基于气体动力学和计算流体力学的相关理论,采用CFD-ACE＋流场计算软件,对液体亚燃燃烧室点火装置单独工作时的稳态流场进行了数值模拟.在试验验证的基础上分析了点火器室压、点火导管内径和导管的结构形式对火焰点火性能的影响.结果表明：当点火器室温和燃气流量恒定时,若保持管道的扩张比不变,选用较低室压的点火器更利于点火;在一定范围内增大导管内径可以提高火焰的点火性能;燃气在直管内的流动损失较小,出口射流的速度较高,穿透深度较大,带弯头的点火导管出口火焰特征类似,有无弯头对火焰的影响很大,而角度差异产生的影响很小.     

汽相冷凝焊（VPS）工艺探讨

采用冷焊加热原理,在大气压力下加热工作液液体,使之形成泡状沸腾,产生温度等于沸点的高温蒸汽。当温度较低的被焊件进入饱和蒸汽区时,高温蒸汽向被焊件表面凝聚。这种以液体的饱和蒸汽为传热介质,靠汽化潜热加热被焊物体的焊接方法,具有温度均匀性好、焊接质量高的特点。文中介绍了VPS焊的实际操作工艺程序及注意事项。     

液氢/液氧火箭发动机尾焰流场特性仿真研究

为研究液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流流动特点,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型、液氢/液氧单步化学反应的N-S方程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,运用PISO算法对液氢/液氧火箭发动机在地面发射阶段的燃烧尾焰射流流场进行了一体化仿真计算,得到了液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流近场激波系结构,并与理论分析结果进行对比,证明了算法的有效性和正确性。分析了燃烧尾焰压力场的动态形成过程,捕捉到尾焰半球形冲击波的发展过程,并认为冲击波为正激波且进行匀速传播。获得了尾焰流场各项参数的分布情况,为开展燃烧尾焰射流的辐射计算提供数据基础。     

真空环境中压电激励对射流破碎特性的影响

针对真空环境中压电激励液滴生成技术,采用实验方法研究了压电激励波形、频率和位移等参数对射流破碎特性的影响规律。实验结果表明,对0.5 mm的射流在理论最优频率下施加振幅3μm的压电激励作用后,射流破碎距离缩短至90 mm左右;相对于正弦波与三角波,方波激励获得的射流破碎距离最短;在最优频率附近,随着激励频率增大,液滴粒径减小,射流破碎长度先减小后增大;随着压电装置位移幅值增大,射流破碎长度略有减小。结果表明:在压电作用下,激励频率对射流特性影响较大,并且射流最短破碎距离对应的激励频率大于理论最优频率;激励波形和位移振幅等参数对射流破碎特性的影响相对较小。