考虑汽化的喷嘴高温气流注水两相流动规律

针对某火箭发动机考虑汽化的注水气液两相流问题,研究了液态水的汽化机理。根据不同环境压力下水的饱和温度建立了汽化模型,编制适合于液态水的专用汽化相变求解程序,并通过添加汽化组分源项及热源项的方法将汽化相变计算嵌入到多相流场控制方程中,实现了考虑液态水汽化相变的三维多相流场求解。结合经典算例进行了对比,特征点的两相流场温度计算值和试验的误差控制在8.5%以内,验证了程序三维计算的可靠性。距火箭喷嘴不同距离横截面的两相质量转化率曲线显示,质量转化率从最低值上升到最高值,然后降低到最低值,揭示了考虑相变的气液两相相间反应转化机理。该方法可为运载火箭发射平台发射起始阶段水室的汽化降温提供参考。      

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。      

Infrared radiation signature of exhaust plume from solid propellants with different energy characteristics

The infrared radiation signature of the plume from solid propellants with different energy characteristics is not the same. Three kinds of double-base propellants of different energy characteristics are chosen to measure the infrared spectral radiance from 1000 cm 1 to 4500 cm 1 of their plumes. The radiative spectrum is obtained in the tests. The experimental results indicate that the infrared radiation of the plume is determined by the energy characteristics of the propellant. The radiative transfer calculation models of the exhaust plume for the solid propellants are established. By including the chemical reaction source term and the radiation source term into the energy equation, the plume field and the radiative transfer are solved in a coupled way. The calculated results are consistent with the experimental data, so the reliability of the models is confirmed. The temperature distribution and the extent of the afterburning of the plume are distinct for the propellants of different energy characteristics, therefore the plume radiation varies for different propellants. The temperature of the fluid cell in the plume will increase or decrease to some extent by the influence of the radiation term.     

火箭发动机尾焰流场注水降温效果初探

为了对超声速高温燃气射流的注水降温机理进行探索,对该类流场进行了数值模拟和实验研究。气-液两相流场采用Mixture多相流模型进行计算,液态水的汽化过程通过耦合水的汽化方程来模拟。实验现象采用高速摄影和红外热像仪进行拍摄,并且在冲击平板上布置了热电偶温度测点。通过对仿真计算得到的温度云图与实验结果进行比较发现,无论是流场形态还是温度场分布,两者都十分吻合,证明了计算模型的适用性。结果表明:液态水和燃气的掺混汽化吸热效果显著,高温区域由于注水影响缩小到一个类锥形区域;迎气面温度大大降低,热冲击烧蚀效应得到有效缓解,尤其是中心部位降温效果最为明显,注水后温度仅为原温度值的60%左右。     

水下燃气-蒸汽弹射气-液两相流场数值研究

基于计算流体动力学方法和均质多相流理论,采用汽化模型模拟燃气与冷却水的汽化过程,使用动态网格分层技术模拟导弹的运动,对燃气-蒸汽弹射气-液两相流场进行三维非定常数值研究.通过与固体火箭发动机尾焰喷水效应实验对比,验证了数值方法的有效性.研究了弹射过程中流场结构、二次流现象和变深度弹射载荷和内弹道变化规律.结果表明:导弹弹射过程中汽化现象发生在弯管壁面处,汽化后的燃气-蒸汽高温区随着发射筒体积的增加发生偏移;燃气-蒸汽在发射筒和弯管截面上存在隔离区和二次流动现象,并且形成不同结构形式的漩涡;弯管受到的最大冲击力出现在0.16s附近和30°~ 60°弯曲角范围内;弹射深度每增加10m,观测点压力增加0.25MPa,弹动时间延迟0.01s.      

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

超声速高温冲击射流注水流场实验研究

为了降低发动机羽流冲击流场的温度,减弱其对发射装置的冲击和烧蚀作用,对超声速高温冲击射流的注水流场开展了实验研究。通过高速摄影和红外热像仪两种非接触式测量设备对无注水和注水两种状态下的冲击流场进行了对比拍摄,并且使用热电偶对底板冲击区的温度进行了测量。对注水两相冲击流场的结构和温度场分布进行了深入分析和研究,并与无注水状态下流场进行对比,得出了通过注水方式可以减少核心区长度和面积,降低迎气面温度,减弱其热冲击烧蚀效应的结论。     

涡轮与冲压组合动力高温进气预冷特性

针对涡轮基冲压组合循环发动机中高温进气影响涡轮发动机性能的问题,开展实际某高空模拟试验进气预冷段的数值分析.基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程,探索射流冷却对不同高空高马赫数进气条件时预冷段内温度和压力的沿程变化规律.结果表明,射流冷却对流场具有明显地温降效果.带有射流装置的预冷段内流动损失是以由黏性...     

不同飞行状态下固体火箭发动机尾喷焰数值研究

为了研究飞行状态对固体火箭发动机尾喷焰的影响,建立了含化学反应项和组分输运项的N-S(Navier-Stokes)控制方程,并采用MUSCL(monotonic upstream-centered scheme for conversation laws) Roe格式的有限体积法进行求解.在此基础上,结合热力计算结果对某固体火箭发动机在不同飞行状态下的化学反应流和单一组分流进行仿真计算.结果表明:初始倾角和第一马赫波节长度随飞行高度的增加而增大,随来流马赫数的升高而减小.同单一组分流相比,化学反应流对第一马赫波节的影响较初始倾角显著.射流轴线温度因飞行状态的不同有较大涨落差异.初始倾角、第一马赫波节由来流总压决定,射流轴线温度由激波结构、复燃效应、来流条件等因素共同决定.      

高温气体喷水冷却过程数值仿真研究

环控试验会排出大量的高温气体,高温气体可通过喷水冷却到合适的温度后排出室外,高温气体喷水冷却过程不仅包含了气、液两相耦合流动,而且存在水的蒸发相变.以国内某环控试验室高温气体喷水冷却系统为例,提出了一种基于欧拉-拉格朗日多相流模型的高温气体喷水冷却过程数值仿真方法,并在STAR-CCM+上进行了数值仿真研究,仿真结果表明方法对于高温气体喷水冷却过程数值仿真具有一定的参考意义.     

Calculation of Wall Temperature for Aircraft Exhaust System with Considering Gas Radiation Heat Transfer

The coupled numerical simulation of flow field, solid temperature field, species concentration field and gas radiation transfer/ energy field based on statistical narrow-band correlated-k (SNBCK) model, is employed to accurately predict aerothermodynamic characteristic of aircraft exhaust system. A series of methods to increase computational efficiency and descend computational resources make it possible to finish the calculation in PC. The parameters of narrow-band model are evaluated by HITEMP line-by-line database. Three examples have proved the accuracy of using these methods to solve flow heat transfer coupled problem and radiation transfer/energy equation, which are the calculation of temperature distribution of water-cooling nozzle in rocket engine, the calculation of carbon dioxide absorptivity at 4.3 micron band, and the gas radiation heat transfer evaluation of the cylindrical furnace. Finally, the inner flaps temperature distribution of ejecting nozzle with floating outer flaps is computed, under high-altitude, high-speed and afterburning conditions. Two completely different air-inlet schemes of ejecting channel almost achieve the same effect in cooling inner flaps.     

基于加力内锥冷却的红外隐身技术研究

应用数值仿真方法计算多种冷却方式下的加力内锥流场和温度场,利用红外辐射特性计算软件分析加力内锥的红外辐射特性。研究结果表明：采用小孔与缝隙组合冷却的效果比单用小孔冷却或单用缝隙冷却的好,采用孔/缝组合冷却的加力内锥的红外辐射强度降低68.49%。     

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

固体火箭冲压发动机补燃室燃烧过程显示

采用二维开窗式固体火箭冲压发动机试验系统,对补燃室内的燃烧现象进行观察,以火焰图像的形式直观形象地描述了进气道位置对补燃室内燃烧过程的影响,试验所采用的装药为含硼贫氧推进剂。并通过高速数字摄影仪摄取补燃室内部某个时刻瞬时火焰图像,借助于光学理论和计算机图像处理技术计算出整个补燃室内部的温度分布。     

Numerical study on similarity of plume infrared radiation between reduced-scale solid rocket motors

This study seeks to determine the similarities in plume radiation between reduced and full-scale solid rocket models in ground test conditions through investigation of flow and radiation for a series of scale ratios ranging from 0.1 to 1. The radiative transfer equation(RTE) considering gas and particle radiation in a non-uniform plume has been adopted and solved by the finite volume method(FVM) to compute the three dimensional, spectral and directional radiation of a plume in the infrared waveband 2–6 μm. Conditions at wavelengths 2.7 μm and 4.3 μm are discussed in detail, and ratios of plume radiation for reduced-scale through full-scale models are examined. This work shows that, with increasing scale ratio of a computed rocket motor, area of the hightemperature core increases as a 2 power function of the scale ratio, and the radiation intensity of the plume increases with 2–2.5 power of the scale ratio. The infrared radiation of plume gases shows a strong spectral dependency, while that of Al_2O_3 particles shows spectral continuity of gray media.Spectral radiation intensity of a computed solid rocket plume's high temperature core increases significantly in peak radiation spectra of plume gases CO and CO_2. Al_2O_3 particles are the major radiation component in a rocket plume. There is good similarity between contours of plume spectral radiance from different scale models of computed rockets, and there are two peak spectra of radiation intensity at wavebands 2.7–3.0 μm and 4.2–4.6 μm. Directed radiation intensity of the entire plume volume will rise with increasing elevation angle.     

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

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。      

民机涡扇发动机重吸入特性风洞试验

民机在滑跑减速阶段一般会使用发动机的反向推力来提高其减速性能和滑跑安全性,当滑跑速度较低时使用该装置,从发动机排出的向前方喷射的气流存在被发动机重新吸入的可能,该喷流受发动机风扇的压缩做功,喷流的温度比环境温度高,如果此气流被发动机重新吸入,将会导致发动机进气气流的温度畸变,而该畸变将会引起发动机风扇叶片的颤振,影响发动机的寿命和安全性。故对于一个使用涡扇发动机的新型飞机,有必要通过风洞试验来得到其在各工况下的重吸入特性,并且根据其重吸入特性,设定截止使用反推力的滑跑速度。本文主要论述通过风洞试验获得发动机重吸入特性,并且确定反推力使用截止滑跑速度的方法。     

基于粒子模拟的舱内布局对霍尔推进器可靠性评估真空羽流的影响

对霍尔推进器地面测试过程中真空环境下的羽流流场进行模拟研究,通过直接蒙特卡洛(DSMC)方法进行多种布局方式下的系列数值模拟,重点研究地面测试设施中舱内的抽氙冷板、束流挡板在不同布局环境下对真空羽流流场的影响。数值模拟结果显示:抽氙冷板的布局位置对羽流流场影响较不明显,但应考虑舱内各处均布以防压力局部集聚过高形成阻力;束流挡板对返流粒子的抑制作用明显,对抽氙冷板等具有较好的防护功能,但也同时改变了羽流流场分布,甚至会影响到推进器的放电特性和性能表现。通过该数值模拟方法可以实现对舱内工艺设备的设计指导,对抽氙冷板、束流挡板等进行布局优化,继而为推进器地面测试提供更为有效的测试环境。