封闭水域内固体火箭发动机尾流结构数值研究

为了研究固体火箭发动机在封闭水域中工作时尾流场特性参数变化规律,建立三维空间模型,忽略重浮力等体积力及燃气与水之间的换热传质,采用Realizable k-ε湍流模型与VOF(Volume of fluid)多相流模型,针对试验水箱内固体发动机在不同水深条件下的工作过程进行数值模拟,获得尾流流场燃气射流形貌,以及水箱壁...     

水下超声速射流对上浮水雷受力特性影响研究

固体火箭发动机具有功率密度大、推力大等优势,常被用于上浮水雷的推进器。然而发动机在水下工作时燃气射流使流场压力发生剧烈脉动,进而影响发动机的推力性能及上浮水雷的受力特性。基于VOF多相流模型和理想气体模型,建立了上浮水雷在不同工作状态(欠膨胀、完全膨胀、过膨胀)下的数值模型,研究了水下燃气喷射流对上浮水雷的受力特性影响。结果显示,欠膨胀工况时,发动机推力平缓,大小为12.2KN,上浮水雷受力未出现负值;完全膨胀时,射流发生颈缩、胀鼓现象位置距离雷体较远,导致发动机推力及水雷壳体受力振荡不剧烈;过膨胀工况时,射流发生颈缩、胀鼓现象距离喷管较近,发动机推力发生剧烈脉动,产生21.37%的振荡幅度,胀鼓现象发生时,流场压力显著降低使得上浮水雷后体受力减小,壳体阻力增大,上浮水雷最大产生27KN的负推力。     

水下固体火箭发动机的推力特性

在微观层面上对火箭发动机射流结构变化对推力的影响规律进行分析研究.采用轴对称模型对不同工况下的二维发动机模型进行数值模拟,获取推力振荡曲线,并研究不同阶段的推力变化,探究推力峰值与断裂的对应关系及推力振荡幅值与频率随工作环境变化的关系.研究结果表明:推力振荡产生的原因是射流在激波诱导下产生周期性颈缩;由于胀股及回击破碎的作用,水下射流推力存在多阶频率峰值;根据胀股主要处于中频段的重要结论对前4阶频率的研究表明射流回击与胀股具有相关性.      

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。     

大涵道比发动机高空舱排气流场数值模拟研究

为了研究大涵道比分开排气发动机在高空舱内的排气流场特性,对其开展了流场数值模拟及试验验证。建立了一种发动机喷管、高空舱和排气扩压器的联合仿真模型,分别计算了不同喷管落压比状态下的发动机推力和排气流场特性,通过对比得到不同落压比下流场的变化规律。对大涵道比分开排气发动机进行了高空模拟试验,对不同落压比下的推力和高空舱内固定测点的总压与静压进行测量,并与数值模拟计算结果对比。结果表明：落压比越大,发动机射流影响范围越大,射流边界外扩,排气扩压器效率越低。推力系数随着落压比的增大呈现减小趋势。计算值与试验值结果相近,绝大多数测点的压强误差和推力误差保持在5%以内。     

湍流模型在单/双缝引射矢量喷管中的验证分析研究

利用数值模拟方法,分别求解以SA、SSTk-ω、EASMk-ω或k-ζ湍流模型封闭的RANS方程,针对单/双缝引射的激波控制射流推力矢量喷管展开研究,在多个主喷流压比NPR(4.6,7.0,8.78,10.0)和次主流压比SPR(0.7,1.0)下,系统考察了四种不同湍流模型对射流推力矢量喷管内外流场的流场结构,性能参数及主喷管内壁面压力分布的预测能力,探讨了由激波控制产生的推力矢量随不同参数的变化规律。数值计算结果表明,四种湍流模型都能比较准确地预测出射流推力矢量喷管的性能参数和喷管流场结构,双缝引射的推力矢量效率并不一定优于单缝引射。     

涡轮叶尖泄漏流主动控制数值模拟研究(英文)

在涡轮设计中一直追求减小损失、提高效率,流动控制作为一种减小损失的一种有效手段,在涡轮叶尖泄漏流动方面引起广泛的关注,因此本文对在涡轮叶尖表面进行主动射流对叶尖泄漏流动的影响作了数值模拟。结合基于密度修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,详细分析不同叶尖间隙高度下射流孔位置和射流流量改变对间隙泄漏流场的影响,并相应地阐述射流主动控制的机理,分析了主动射流条件下叶尖间隙流动的拓扑结构,最后计算考虑射流影响的涡轮转子效率。结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.30;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,若不考虑周围流场的拓扑结构,则射流孔附近的流场满足奇点分布规律。     

射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能模拟

为扩展吸气式涡轮火箭发动机工作范围,提高发动机性能,在常规涡轮火箭发动机基础上加入射流预冷系统并修改热力模型,建立了射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能计算模型。在给定航迹和控制规律下分析了不同压气机进口限制温度对喷水量、净推力和比冲的影响。仿真结果显示加入射流预冷器可以极大的扩展涡轮火箭发动机的工作范围,在高马赫数下可以极大的提高涡轮火箭发动机的净推力。     

估计飞行器羽流影响的点源流动模型和计算机程序

目前和今后使用火箭发动机进行轨道和姿态控制的空间飞行器都要遇到发动机排气羽流影响问题.本文讨论了一种迅速估算轴对称的羽流远流场对飞行器影响的近似分析方法和相应的计算机程序.这种点源分析方法考虑了排气气体和喷管的特性.通过计算发动机排气羽流场,计算排气羽流干扰力矩和推力损失,这些影响在飞行器设计中必须给予考虑和控制.利用该方法和计算机程序对一个卫星模型进行了羽流影响的计算.     

民用飞机尾吊发动机安装效应对推力影响研究

为准确分析并确定飞机气动力从而获取飞机气动特性,根据民用飞机研制和性能飞行试验的研究需求,采用数值模拟方法对飞机和发动机带动力三维流场进行了计算,分析了安装和非安装状态下发动机附近流场和其推力参数的变化,初步获得了发动机安装效应对尾吊式民机推力预测的影响。结果表明:本文采用的基于流管假设的推阻力划分方法和数值模拟分析方法,可以获得发动机安装前后的总推力、净推力、安装推力和各推力分量,其结果与发动机性能模型预测基本一致;在带动力条件下,对飞机可用推力的预测需仔细分析安装效应对发动机安装推力的影响,和非安装状态不同,安装状态下喷管气流易受机体/机翼/吊挂流场干扰,其上产生较为明显的压缩-膨胀-再压缩过程;对发动机安装和非安装状态内外涵喷管流动分析表明,出口气流的压力损失和摩阻差异可能是导致推力分量产生变化的主要原因。     

某固体火箭发动机工作末期不稳定燃烧

针对某固体火箭发动机工作末期出现的压力振荡现象开展了数值研究与线性预估.通过有限元方法得到了燃烧室空腔的声模态及固有声振频率,轴向1阶与2阶声振频率随燃面退移先减小后增大;利用大涡模拟方法分析了燃烧室内的流场特性及压力振荡特性,振荡频率与试验结果一致,判定该发动机出现了以轴向1阶声振频率为主导的不稳定燃烧;其次分析了发动机内阻尼特性,其阻尼随燃面退移不断减小;最后通过不稳定燃烧线性理论解释了该发动机工作末期出现压力振荡的机理,表明燃面退移过程中喉通比下降是导致发动机由线性稳定转向线性不稳定状态的关键因素.      

机翼跨声速抖振数值模拟及模态分析

绕机翼的跨声速抖振流动是典型的复杂不稳定流动，对其非定常特性及失稳机制的研究具有重要的工程和学术价值。通过非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）仿真方法和动模态分解（DMD）分析手段，研究了CRM（Common Research Model）等典型机翼的跨声速抖振流动特性及其主要失稳模态。数值仿真结果表明机翼的跨声速抖振表现为多失稳模式下的宽频特性。除了激波的弦向失稳，还会伴随发生激波的展向失稳，它们都表现为低频特性。翼梢处的高频响应可能是由激波诱导的低频失稳与翼尖涡相互耦合形成。DMD分析结果显示机翼展长和后掠因素诱导了激波展向失稳模态。本研究对抖振流动的物理建模、控制及理解相关的气动弹性现象具有指导意义。     

液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴研究综述

在双组元液体火箭发动机中,气液同轴直流式喷嘴得到了广泛的应用,这种喷嘴通常由中心的直流式液体喷孔和同轴气体环缝组成。气液同轴直流式喷嘴的工作特性可以分为雾化特性和燃烧特性。其中雾化特性又包括同轴气体作用下射流破碎雾化机理、雾化性能、真实发动机高温高压环境的影响、不稳定燃烧时压力振荡的影响以及自激振荡等;燃烧特性又包括火焰稳定机理、火焰结构以及真实发动机环境的影响等。本文从上述几个方面对气液同轴直流式喷嘴的工作原理进行了综述,以加深对其工作过程的认识。     

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

不同密度梯度的多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov（R-M）不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点。同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异。实验结果表明：当流体的粘度梯度方向（从小到大的方向）与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著。     

碳氢燃料热声不稳定流动特性和边界实验分析

为保障空-油换热器安全稳定运行,对竖直上升圆管内超临界压力航空燃料的热声不稳定流动进行了实验研究。阐述了管壁温度的振荡特征和热声不稳定流动的诱发原因。考察了运行参数对流动稳定工况和流动不稳定工况界限的影响。取相邻流动稳定工况和流动不稳定工况的热流密度平均值作为边界,分析了该边界随进口拟过冷度的变化情况。通过临界拟相变数和拟过冷度数的比值表征,建立了热声不稳定流动边界与进口雷诺数和相对压力关联的预测准则。结果表明:拟沸腾效应导致了热声不稳定流动现象。进口温度和运行压力越低,热声不稳定流动越容易出现。提出的边界预测准则具有较高的精度,与实验结果的相对偏差在±15%以内。     

Influence of thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations

Vortex-acoustic coupling is one of the most important potential sources of combustion instability in solid rocket motors (SRMs). Based on the Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) experimental motor, the influence of the thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations is numerically studied via the large eddy simulation (LES) method. The simulation results demonstrate that vortex shedding is a periodic process and its accurate frequency can be numerically obtained. Acoustic modes could be easily excited by vortex shedding. The vortex shedding frequency and second acoustic frequency dominate the pressure oscillation characteristics in the chamber. Thermal inhibitor position and gas temperature have little effect on vortex shedding frequency, but have great impact on pressure oscillation amplitude. Pressure amplitude is much higher when the thermal inhibitor locates at the acoustic velocity anti-nodes. The farther the thermal inhibitor is to the nozzle head, the more vortex energy would be dissipated by the turbulence. Therefore, the vortex shedding amplitude at the second acoustic velocity antinode near 3/4L (L is chamber length) is larger than those of others. Besides, the natural acoustic frequencies increase with the gas temperature. As the vortex shedding frequency departs from the natural acoustic frequency, the vortex-acoustic feedback loop is decoupled. Consequently, both the vortex shedding and acoustic amplitudes decrease rapidly.     

水下气液两相冲压发动机非设计点性能分析

针对水下气液两相冲压发动机非设计工况下运行特性,建立数学模型并开展数值模拟研究,分别分析了通入气体质量流率、航行速度及环境压力变化对发动机性能的影响等,以期全面了解发动机特性,为其设计工作奠定理论基础。计算分析表明:发动机推力随气体质量流率的增大而增大,推进效率随其增大而减小;当实际航行速度大于设计值时,发动机推力略有增大,推进效率在速度为设计值时具有最大值;发动机推力及推进效率均随环境压力增大而略有减小。通过反馈控制调节气体质量流率,可使发动机输出与阻力相近的推力值,使航行体在工作速度范围内的任意速度值下实现匀速航行。