塞式喷管气体动力学过程冷流实验研究

开展了塞式喷管气体动力学过程的冷流实验研究。实验对不同压比条件下塞式喷管塞体表面的压力分布进行了测量,对塞体长度、侧板影响、底部特性以及二次流影响进行了研究。通过冷流实验揭示了塞式喷管的气体动力学过程和流动特性,得到的结论主要有:(1)有无侧板对塞体边缘压力分布影响比较明显,对中心线压力分布影响很小,无侧板的情况下喷管性能会有一定损失。(2)尾迹开放状态下,底部压力随环境压力变化,由于底部涡的影响,底部压力低于环境压力;尾迹闭合状态下,底部压力不再随环境压力变化。(3)尾迹闭合状态下,在底部加入二次流会有比较明显的增压效果;尾迹开放状态下,二次流对短喷管增压效果不明显,但对长喷管有一定的增压效果。     

空天飞机喷管的气动设计

本文首先阐述了喷管气动设计在整个空天飞机气动设计中的重要地位,介绍了两种用于空天飞机的二维不对称喷管的无粘流气动设计方法。一种是基于 Rao 的最大推力喷管设计方法;另一种是基于最小长度喷管的设计方法。重点介绍了 NASA Langley 研究中心固定几何形状的超燃冲压发动机喷管的气动设计。分析了发动机位置、上壁倾角、外罩内侧倾角和外罩长度对飞行器性能的影响。最后,介绍了空天飞机喷管流动的风洞实验和计算流体力学的进展,并提出了尚待进一步研究的问题。     

二维缩比发动机实验器中旋涡运动的实验研究

针对同体火箭发动机的二维缩比实验器,搭建了高速摄影平台,利用示踪粒子的散射作用,采用连续片光流动显示技术,对流场中的旋涡运动进行了实验研究.实验结果表明:后向台阶处存在明显的流动分离,产生了旋涡.旋涡有规律地脱落,并在随主流向下游传播的过程中尺度逐渐变大;大多数脱落的旋涡撞击潜入式喷管潜入段发生破碎,其中一部分直接流出喷管,而另一部分进入潜入式喷管背区空腔内;少数脱落的旋涡由于大尺度旋涡运动的卷吸作用直接进入潜入式喷管背区空腔,而没有与潜入式喷管潜入段发生碰撞,研究结果可以提高对真实固体火箭发动机中流场的认识,并为数值计算方法提供实验验证.     

一种小长高比组合发动机喷管气动设计及性能分析

在强几何约束条件下,对一种Ma=0~6.0的小长高比组合发动机喷管气动设计开展了初步研究。采用特征线法设计程序开展了喷管型线设计,并对设计点马赫数选取、三维侧向膨胀角、喷管双通道相对位置对喷管气动性能的影响开展了研究,给出了兼顾空间有效利用与喷管气动性能的喷管气动设计方案。数值模拟结果显示:降低设计点马赫数可以改善组合发动机喷管在低马赫数飞行时的性能,避免喷管出现严重过膨胀;喷管保持出口高度不变时,随着侧向膨胀角的増大,其高马赫数气动性能较优,而低马赫数气动性能下降严重。涡轮/冲压发动机喷管出口相对位置对并联布局组合发动机喷管转级点气动性能影响较大,且存在一个最佳位置布局,使得转级点达到最优的推力性能。获得的组合发动机喷管在设计马赫数下的推力系数约为0.920,模态转换过程流场平稳过渡,推力系数不低于0.918。     

波瓣喷管混合流动的数值计算

借助Ｎ－Ｓ方程对波瓣喷管混合装置的流场进行了数值分析。文中采用三维贴体曲线坐标,非交错网格法和代数湍流模型,对波瓣喷管内外两侧的气流通道及波瓣喷管下游的混合段波场采用分块计算方法进行了数值计算。     

固体发动机喷管喉衬温度场测量与分析

为了剥离热化学烧蚀吸热的影响并获取固体火箭发动机喷管结构内部的温度场分布,以锻压钨为材料设计喷管,在喷管喉衬径向的一定位置埋置热电偶来测量喷管结构温度.实验结果表明:采用锻压钨制作喷管,该本实验条件下可以忽略热化学烧蚀对锻压钨喷管喉部换热的影响;实验测量结果符合传热规律,与导热计算结果基本吻合.实验结果真实可信,为喷管喉部对流换热模型的建立、完善提供数据支持和实验验证.     

二元超音速喷管的快速设计法

本文是根据平面径向幅射流与均匀平行流的相互转换,提出一种二元超音速喷管的设计方法。利用这种方法,可以非常迅速而准确地进行二元超音速喷管的设计,在本文中还以设计马氏数M_D=4.01的喷管为例,详细地阐明了超音速喷管的设计步骤。在文章的后面,附有设计时所必需的各种计算数值表。     

半柔壁喷管型面设计与校准方法研究

半柔壁喷管是跨超声速风洞柔壁喷管的一种类型,由喉道块、可变型面的柔板及出口端板等部分构成。半柔壁喷管具有长度短、支撑机构数量少、建设成本低、系统可靠性高、运行维护成本低等优点。鉴于半柔壁喷管的各项优点,航空工业气动院的0.6 m连续式跨声速风洞和2.4 m连续式跨声速风洞均采用半柔壁喷管。本文以0.6 m风洞的半柔壁喷管为例,详细介绍航空工业气动院的半柔壁喷管型面设计方法,主要内容包括曲率连续的喷管无黏型面设计方法、曲率连续的附面层位移厚度计算方法、喷管型面的迭代设计方法、半柔壁喷管设计方法和喉道块上游型线设计方法。本文提出了一种根据计算流体动力学（Computational fluid dynamics, CFD）和流场校测结果调节附面层位移厚度的喷管型面校准方法,有效地提高了喷管型面出口马赫数的精准度。半柔壁喷管流场校测结果表明,半柔壁喷管菱形区的马赫数偏差小,流场均匀性良好,达到国军标先进水平。     

吸气式无阀脉冲爆震发动机试验研究

为了获得大气层内的高速巡航能力,需要发展包括吸气式脉冲爆震发动机在内的多种新概念动力装置.设计制造了完整的吸气式无阀脉冲爆震模型机,包括亚声速进气道,混合室,点火室,爆震室和喷管.采用起爆性较差的汽油和空气为推进剂,以低于50mJ的点火能量研究了模型机(除去喷管)的多循环单级起爆和爆燃向爆震转变过程(DDT),并尝试减小DDT轴向距离的方法.设计一种环缝结构来加强汽油、空气的掺混,和减小推力壁端敞口对模型机起爆的不利影响.试验表明模型机易于起爆, DDT距离在1.3m(距离点火器)左右,采用高能点火装置之后,DDT距离减为1.09m.模型机与一端封闭一端敞开的脉冲爆震火箭发动机相比,由于两端敞口,各测压点压力时域变化更加复杂,有两次上升和下降过程.     

椭圆喷管设计与数值模拟

提出了一种椭圆喷管的设计思路,并对椭圆喷管流场与矩形喷管流场进行了对比分析。通过数值计算表明,在相同的驻室参数、相同的长度和出口面积条件下,椭圆喷管出口马赫数略高于矩形喷管。湍流和高温真实气体效应均降低了喷管的有效面积比,改变了喷管流场的膨胀波系,通过选择合适的喷管出口位置可以获得较好的试验均匀区。椭圆喷管作为高超声速风洞特种试验装置,可以有效利用加热器的能量,提高设备的参数模拟能力,可适用于大尺寸扁平状前缘、舵、翼等模型的防热试验和大宽高比的冲压发动机试验研究。     

高速风洞一体形式的喷流影响试验技术研究

详细介绍了FL-3风洞一体形式的喷流影响风洞试验技术,该技术区别于分离形式的喷流影响试验技术,利用波纹管实现了飞行器模型与喷管的一体化设计。天平同时测量模型外部气动力和喷管推力,避免了分离形式喷流影响试验技术存在的喷管几何不完全相似、模型与喷管易碰触、腔压难以准确修正等问题。对一体形式喷流影响试验技术的相似参数、试验原理、波纹管技术等进行了系统介绍,地面调试及风洞试验表明:一体形式的喷流影响试验技术可以获得不同落压比和不同矢量喷流对飞行器的喷流影响量,在经过进一步细节优化后,将形成成熟的试验能力,并依据该技术可以发展喷管性能风洞试验技术、一体形式的推力矢量风洞试验技术等。     

高度补偿喷管冷态模拟与推力测量试验技术研究

推力特性是发动机的重要特性,也是评价发动机喷管性能优劣的重要指标.而发动机的推力特性会随高度的变化而产生一定的变化,同时,喷管型面和结构形式,也是影响其推力特性的重要因素.目前,国内外都在研究和优化发动机喷管的结构形式和型面,改善和提高喷管的性能.为了研究分析双钟形喷管和塞式喷管的高度补偿特性,需要进行地面模拟试验.为满足在FD-20A风洞中进行高度补偿喷管试验的需要,开展了高度补偿冷态模拟试验技术研究,对在冷态模拟条件下的喷流模拟技术、喷管推力测量试验技术和流动显示技术等进行了研究,满足了试验的需求.     

新型无铰式旋翼气弹综合分析的全本征方程方法

针对新型无铰式旋翼构型存在的大变形几何非线性及根部多路传力的特点,并考虑非定常气动载荷作用,建立了无铰式旋翼气弹综合分析的全本征方程。发展了高精度的伽辽金法变阶有限单元,利用Newmark平均速度法和牛顿松弛迭代,实现了旋翼动力学与气动力的紧耦合求解。经过算例的对比验证表明,本文方法能够准确模拟新型无铰式旋翼根部多路传力条件,并在稳态气弹响应、振动载荷以及气弹稳定性计算等方面具有较好的精度。     

2m×2m超声速风洞全挠性壁喷管气动设计及动态调试结果分析

中国空气动力研究与发展中心自行设计的2m×2m超声速风洞于2010年底建成,它是一座直流、暂冲式风洞,采用了全挠性壁喷管技术.喷管总长18m,具有马赫数1.5~4.0的十多个型面,每个型面通过24对撑杆的伸缩实施成型.该喷管的气动设计采用了具有连续曲率的Sivells设计方法,并用Maxwell方法对其进行了边界层修正.该喷管采用实验影响法进行了喷管型面的动态调试,个别型面还采用了二次修正.调试结果显示,在各设计马赫数下,试验段模型区流场指标均优于GJB先进指标,表明该喷管的气动设计是成功的.     

矢量喷管静推力精确测量试验技术研究

详细论述了矢量喷管静推力精确测量试验技术的原理、所需设备以及试验方法,该技术主要模拟喷管模型喷流落压比以及出口马赫数相似参数,将模型安装在推力测量平台的真空试验舱中,同时利用外式天平进行矢量喷管气动力的精确测量。试验数据经过流量修正、安装姿态修正、基于橡胶膜片的空气桥系统对于天平的压力影响以及流量影响修正之后,即可以得到较为精确的矢量喷管静推力值、推力系数以及矢量角等参数。试验结果表明:在推力测量平台进行矢量喷管静推力测量试验,轴向、法向推力系数以及矢量角随落压比的变化规律正确,试验精度满足国军标要求,达到型号应用水平。     

多喷管引射器的性能分析

应用气体动力学原理，推导了超音速多喷管引射器引射系数的计算公式。针对某型号发动机进气防砂滤清砂引射器，进行了性能特性计算和试验。结果表明，随着主次流压比降低、温度比增大，混合管与主喷管截面积比增大以及混合管长径比增大，引射系数均随着增大。在相同工况条件下，Ｌｍ／Ｄｍ＜７．０时，多喷管引射系数比当量收缩单喷管的引射系数大，且Ｌｍ／Ｄｍ越小，两者相差越大。理论计算和测试结果符合良好     

发动机喷管延伸段振动疲劳评估方法

发动机喷管延伸段由管束式排放冷却段和气膜冷却单壁段组成,发动机运行过程中会受到较高应力、宽频振动以及高温环境等影响,因而在受力集中部位、焊缝最大应力区等薄弱环节比较容易出现裂纹等破坏形式.本文给出发动机喷管延伸段在高温高压环境下的静动强度、刚度、和薄壁结构常温下振动疲劳分析方法.建立了发动机喷管延伸段有限元分析模型,根...     

一种中心电弧等离子体发生器的理论模型与实验研究

电热化学发射中,烧蚀毛细管等离子体发生器的放电是电能转化为热能的重要阶段。目前,国内外的研究主要集中在对喷管式的毛细管进行实验和理论分析。但喷管式的毛细管却有其不可克服的缺点。因此,笔者提出了采用中心电弧式的毛细管,并从理论上对其进行了描述,同时针对一种通用的材料———聚乙烯在多种贮能条件下进行了放电实验研究,得出了一些规律性的认识。实验表明:中心电弧等离子体发生器在电弧稳定性以及能量转换等方面都有独特的优点。     

电弧风洞CO2介质运行分析

为开展金星和火星探测器地面防热试验研究,通过对CO2气体平衡成分分析、喷管流场计算和风洞运行能力分析,评估了电弧风洞模拟探测器进入CO2大气环境时的防热试验能力。首先采用平衡常数法计算分析CO2气体在不同温度和压力下的平衡成分,接着利用一维等熵理想气体模型分析喷管内平衡流和冻结流2种流态下的流场参数,最后计算CO2介质运行时喷管出口的驻点参数,评估驻点压力和驻点热流的包络性能。结果表明:电弧风洞CO2介质运行时气流在加热器内含碳量高达30%,并可能在水冷壁上沉积,降低设备绝缘性能和换热效率,给设备安全运行带来隐患;在平衡流和冻结流2种流态下,喷管出口气流中均含有CO和O2,且CO含量高达50%,为保护下游的真空设备和人员安全,防止反应生成的CO浓度达到爆炸极限,给出了在扩压器补充惰性气体钝化的初步方案。     

高温高压喷管化学和热力学非平衡流计算

本文给出了高驻室压力条件下的化学、振动、电离非平衡喷管一维流动的方程组(包括 V-D 耦合和电离激发效应)。为了克服高压条件下喉道前空间推进步长小的困难,采用了局部平衡等效(?)的计算方法。对两类典型风洞(小尺寸电弧风洞和大尺寸激波风洞)进行了数值计算,并对不同驻室压力、V-D 耦合、电子激发效应、不同化学模型进行了研究。计算表明,高驻室压力能够有效抑制喷管的非平衡流动。在 P_0=200MPa,T_0=8000K 条件下,喷管出口的 O_2、N_2组分浓度已接近于实际大气。