微重力条件下两相流动沸腾换热地面等效模拟试验研究的必要性

介绍了航天器的热控制模式、对在微重力下的单相流与两相流的换热系统、微重力下与重力场下的两相流沸腾换热进行了比较。最后论述了在微重力条件下进行两相流沸腾换热地面等效试验研究的必要性。     

锈层对过冷沸腾换热影响的实验及数值研究

针对锈层对过冷沸腾换热冷却效果的影响，本文进行了理论分析、实验研究和仿真校验。首先结合经典的过冷沸腾换热理论，分析了锈层对冷却效果影响最大的几个因素。然后进行了一组夹套内壁生锈和未生锈两种情况下冷却效果的对比实验。实验发现，内壁生锈造成入口段温度大幅升高，且温升沿流道方向递次减小。接着分析了造成该现象的几大因素，推断锈层影响了流态进而抑制了沸腾换热机制是最主要的因素，并对不同入口流态下管内沸腾换热进行数值仿真，校验了上述分析结果。最后，根据研究结论，对过冷沸腾换热中易生锈或类似的粗糙内壁槽道的设计方法提出了建议。     

人工粗糙度对矩形弯曲管道流动与传热数值模拟

人工粗糙度作为一种局部强化换热技术,对提高再生冷却效率有重要意义。为了研究人工粗糙度对矩形冷却通道三维流动与传热特性的影响,以及在弯曲段与二次流的耦合作用,对有人工粗糙度的三维弯曲矩形通道进行了建模,并应用Fluent软件进行了数值仿真计算,采用了能够有效准确地求解受强曲率影响的管道内及近壁区域湍流流动的RNG k-ε湍流模型。结果表明:在冷却通道底面添加人工粗糙度会使底部流动受到干扰进而导致流速中心上移,因此在弯曲段,有人工粗糙度的冷却通道中所产生迪恩涡的范围相对较小且距离底面较远,而随着二次流的产生,流速中心会向底部移动,使得该处的换热得到改善,整体对流传热系数上升;当入口质量流量分别为0.1 kg/s,0.2 kg/s,0.3 kg/s时,有人工粗糙度工况下弯曲段加热面平均对流传热系数分别增加了11.86%,13.11%,16.14%,表明添加人工粗糙度可以显著提高换热,且随着入口质量流量的增加其对换热的提高作用也变得越来越明显。     

工质温度对二次喷射推力矢量性能的影响

为了研究二次流温度对推力矢量的影响规律,本文基于二次喷射的基本原理,利用计算流体力学(CFD)软件,对不同温度的二次流进行了模拟仿真分析。结果表明,在相同喷射压强和喷射流量下,二次流温度越高,在扩张段影响的范围就越大,但产生的侧向力和温度并不是简单的正变关系。在此分析的基础上,提出了一种合理利用二次流温度的工程方案。
     

发动机喷管内流场对流换热系数影响因素的数值分析

基于Roe-FDS格式,采用标准κ-e湍流模型对某液氧煤油发动机喷管内部燃气流对喷管内壁的对流传热换热系数进行了数值仿真与研究,分析了网格雷诺数以及恒温壁壁温对喷管内壁对流换热系数的影响.当近壁面网格第一层法向高度为10-3 mm数量级时,仿真结果与工程估算公式的计算结果相吻合.同时,在一定范围内,对流换热系数随来流速...     

射流推力矢量喷管中粒子运动轨迹的数值模拟

用颗粒轨道模型对基于激波控制的二维收缩-扩张(2-DCD)喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,研究了1～60 μm不同直径颗粒的运动轨迹.研究表明,颗粒尺寸越小,粒子的随流性越好;颗粒尺寸越大,主流中的粒子与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大,二次流中的粒子对下壁面的碰撞越剧烈.     

混合室对零二次流环形超声速引射器性能的影响

采用二维轴对称雷诺平均方程和Spalart-Allmaras湍流模型,研究了不同混合室结构对零二次流环型超声速引射器的流场结构、盲腔真空度和引射器出口总压力等性能的影响,较好地模拟了引射器内由激波、边界层干扰诱导的复杂流场特性.结果表明,在收敛混合室前端增加适当长度的平直段可大大提高零二次流环型超声速引射器的性能.     

蒸汽发生器掺混工质对引射性能的影响分析

在火箭发动机高空模拟试验领域,常采用蒸汽发生器供应大流量的引射工质.蒸汽发生器利用燃料和氧化剂化学反应,并和掺混工质混合产生引射工质.为了分析掺混工质对蒸汽发生器供应引射工质的性能的影响,开展了理论计算研究.首先,分析了冷却水掺混量变化对引射器零二次流引射性能的影响,结果表明在最小启动压力点,随着冷却水量增加,最小启动压力增大,真空度提高,一次流流量增加,消耗的酒精先减小后增大;其次,分析了采用不同流量液氮作为掺混工质的引射效果,结果表明在最小启动压力点,随着液氮量增加,最小启动压力增大,真空度提高,一次流流量增加,消耗的酒精减少;最后,比较了2种掺混方法,发现采用液氮作为掺混工质,极限真空度更高,引射能力为采用水掺混的3倍.对于带有二次流的超超引射,二次流一致时,2种方式的压缩比相当,但液氮掺混工作范围更宽.     

一次进水角度对水冲压发动机比冲性能影响研究

为了研究一次进水角度对二次进水水冲压发动机比冲性能的影响规律,建立了发动机补燃室两相流反应模型,对镁基水冲压发动机补燃室流场进行了数值模拟,获得了发动机喷管出口温度、出口压力、出口气流速度及发动机比冲随一次进水角度的增大先升高后降低的变化趋势,在此基础上进行了水冲压发动机地面直连式试验研究.结果表明,一次进水角度在40°左右时,二次进水水冲压发动机比冲性能较优.     

环喉环簇塞式喷管推力矢量控制研究

针对环喉环簇塞式喷管发动机的结构特点,提出了二次流喷射实现推力矢量控制的方案,并用数值方法研究了二次流的总温、总压、位置、角度、流量、喷射孔的数量以及孔间距等工作参数对推力矢量控制性能的影响。结果表明,侧向力与二次流的总温、总压、流量成正比关系;多孔比单孔的喷射效果好,孔与孔的间距要适当;逆向喷射比顺向喷射产生的侧向力大;喷射孔位置的选取受工作压比的影响很大。     

一次火箭流量对RBCC性能影响的数值和实验研究

利用三维两相数值计算方法和地面直联试验系统,开展了不同来流速度下一次火箭流量变化对发动机性能的影响。数值研究结果表明,在不同来流条件下,一次流流量的增加对发动机推力和比冲的贡献不同,在低速条件时,一次火箭流量的增加对来流空气的加热以及缩短二次燃料的雾化蒸发时间和距离起着积极的作用,对性能的提高有一定作用;当来流速度较高时,过大一次流流量对流动通道产生了阻塞效应,造成对推力和比冲贡献作用的减小。试验结果验证了数值研究得到的规律,特别在高马赫数条件下,一次火箭流量的增加对推力和比冲的贡献是减小的,且飞行速度越高,这种贡献越小。无论低速还是高速来流条件,存在着一个优化的一次流流量,这对提高发动机性能有很大好处。     

高温燃气流超声速风洞扩压器热防护设计

为实现高热流环境下高温燃气流超声速风洞系统的重复使用,采用数值方法对扩压器热环境进行了分析,采用沸腾换热方法对扩压器进行了热防护设计,并通过试验验证了沸腾换热理论应用的可行性。结果表明,沸腾换热在水流速2m/s的情况下可实现热流2MW/m 2的热防护,应用沸腾换热可以有效降低设计难度,在较低的速度和压力损失下达到更好的换热效果。     

火箭发射燃气流二次燃烧数值研究

为研究二次燃烧对火箭地下热发射排焰环境的影响,采用9组分11步反应的H_2-CO燃烧模型模拟火箭出井过程中发动机的燃气流与空气二次燃烧过程,运用域动分层动网格技术,对火箭运动区域进行更新,数值研究二次燃烧对井内流场温度、压力载荷以及火箭出井速度和时间的影响。数值结果表明,富燃燃气与空气混合发生二次燃烧,导致井内局部燃气流温度、压力升高,但在井底导流锥冲击区、排焰道转弯区以及箭体底部和箭体壁面部位温度、压力载荷分布受二次燃烧的影响较小,相对变化率均不大于8.33%;火箭出井速度和时间受二次燃烧的影响可以忽略。     

流体式高超声速可调进气道流动机理及工作特性分析

针对基于二次流控制的定几何高超声速可调进气道设计概念,给出了其具体的流道实现方案,而后通过全流道仿真分析,检验了该可调进气道在马赫数4~6范围内的可实现性,获得了其工作特性,并对弯曲激波后的总压损失特性、二次流的能量获取及消耗机制等流动机理进行了专门分析。结果表明：该流体式可调进气道能够依靠自身高压驱动二次流来实现对口部波系的调节,使进气道在低马赫数下的流量系数相对于常规定几何高超声速进气道提高24%以上,总压恢复提高7%左右,且最大二次流消耗量只占了进气道捕获流量的1.6%左右。另外,虽然弯曲激波的波后总压和马赫数分布表现出了一定的不均匀性,但是其平均总压恢复系数与相同倾角平面激波相比下降不大。二次流循环流动所消耗的机械能由外部外流剪切力做功补充,而二次流注入会使当地边界层的速度型变得瘦弱,形状因子增大。     

不同压力条件下水平平板的表面换热实验研究

为了解不同压力下水平平板的气体对流换热变化情况,搭建了一个提供不同气压和环境温度的实验舱,开展了在不同压力(0.1 Pa、0.1 k Pa、0.2 k Pa、0.5 k Pa、1 k Pa、10 k Pa、50 k Pa和常压)与几种加热量(75、150、300 W/m~2)组合条件下的水平平板换热实验研究。通过对辐射换热和自然对流换热的比较,得到不同压力下气体的对流换热系数。结果表明:对流换热系数在环境气体压力小于1 k Pa时非常小,而在1 k Pa以上时才较大;在大于1 k Pa时,对流换热系数随压力的升高呈二次方增加。     

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。     

水反应金属燃料发动机三维两相燃烧数值模拟

用三维湍流N-S方程及颗粒轨道模型描述水反应金属燃料发动机内部喷雾两相湍流燃烧过程。通过耦合求解气液两相流模型方程,得到发动机燃烧流场。通过模拟Mg与水的反应,分析比较了一次和二次进水方案的不同流场特性。研究结果表明,二次进水方案更有利于火焰稳定和提高燃烧性能。     

微重力下两相流动沸腾换热综述

对国外在微重力下两相流动沸腾换热的研究情况和几种有关理论进行了综述。介绍了微重力下两相流动沸腾换热机理和流动沸腾传热模型，然后对ＴＥＭＰ２Ａ－３沸腾的地面与空间试验作了比较，并首次用Ｃｈｅｎ氏公式进行了验证，得出Ｃｈｅｎ氏公式在该流态模型下与重力无关，进而可推广到在失重情况下的应用。     

可压缩修正的k-ε模型数值模拟喉道变形的推力矢量喷管

提出利用智能可变形材料,通过喷管喉道变形,实现喷管的推力矢量控制.将标准的后k-ε双方程湍流模型进行可压缩性修正,对喉道二次流矢量喷管进行了数值模拟,并与实验结果进行比较,发现可压缩修正的k-ε双方程模型较标准k-ε模型、单方程模型具有更好的计算结果;同时,利用修正的湍流模型对基于喉道智能变形的推力矢量喷管进行数值模拟,结果表明该推力矢量控制方法较喉道二次流推力矢量喷管具有更好推进效率,但推力矢量角度控制范围降低.     

载人航天器密封舱内流动换热数值模拟研究

航天器密封舱主要以通风换热的方式排出舱内人员及设备的散热,从而控制舱内的温度水平。计算机数值模拟是研究舱内通风换热问题的有效方法。文章利用数值模拟软件I-DEAS,针对设定载人航天器,对其在轨状态下密封舱内复杂的流动换热进行稳态数值模拟,研究系统能量的流动和分配,评价通风设计方案的合理性。