液体火箭发动机喷管简化建模及模型修正

为了准确掌握喷管的动力学特性,提出了一种等效简化建模结合试验数据的模型修正方法。首先,将喷管的原始几何模型经过几何处理成简化模型,建立了喷管的有限元模型,对有限元模型在自由条件下进行模态计算,将得到的计算数据与测试数据对比分析,再利用测试数据对有限元模型的弹性模量参数进行修正,修正后的喷管有限元模型前9阶模态计算结果与测试结果频差在5%以内,MAC值(模态置信准则)在0.8以上。表明此方法是一种高效可行的喷管简化建模方法,既保证了精度又提高了计算效率,对其动力学特性分析、振动响应预测等方面具有重要应用价值,对于液体火箭发动机其他部件的动力学建模及分析也具有普适性。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合（FSI）作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响,采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)（非耦合）模型仿真计算以及模态试验验证,比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下,导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例,当管径大于设计值30%后,耦合作用引起的1阶频率误差高于10%,此时流固耦合不能忽略;而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.      

基于燃气发生器法的小型中涵道比发动机性能计算分析

为了研究小型中涵道比分排涡扇发动机装机性能,建立了基于燃气发生器法的性能计算模型。由CFD数值模拟计算喷管特性,由发动机地面台架试验及针对小型中涵道比的特点发展的修正方法获取内外涵喷管进口总压和总温的修正系数曲线,经高空模拟台试验验证,发动机最大状态下的推力计算误差≤0.5%。再基于飞行试验测试数据,计算得到发动机在装机条件下的空气流量与飞行推力,与发动机设计厂家的模型计算结果相比,发动机各状态下推力最大误差≤1.3%,流量最大误差≤2.5%。结果表明：发展的性能模型修正方法适用于小型中等涵道比涡扇发动机的装机性能确定;同时修正中等涵道比分排发动机的内外涵喷管进口压力可提高模型推力计算精度;同时修正小流量分排发动机内外涵喷管进口温度可提高流量计算精度。     

双组元高室压脉冲火箭发动机工作特性分析

为了研究高室压脉冲火箭发动机的工作特性,在分析其工作原理的基础上建立了数学模型,其中燃烧室和挤压腔采用零维模型,喷管采用一维准稳态模型,采用四阶Runge-Kutta法进行了求解.结果表明,燃烧室的最大压强和平均压强都高于推进剂供给压强,而挤压过程中进出燃烧室的质量不守恒是压强升高的原因.与常规液体火箭发动机相比较表明,脉冲火箭发动机的真空比冲提高了7.5%,而喉部面积仅为其10.2%.     

基于多重动态子结构法的大型复杂结构动力分析技术

针对传统动力学分析方法无法有效地解决大型复杂工程结构动力问题的局限性,引入了一套适用于复杂大系统结构建模分析的新技术—多重动态子结构法。详细论述了多重多级动态子结构基础理论,介绍了采用多重动态子结构技术进行动力建模分析的工程实现方法,并开展了该方法在某大型四机并联液体火箭发动机中的应用研究。研究结果表明:仿真分析的前六阶模态与试验值吻合较好,模态频率的相对误差小于5%,模态置信因子MAC≥0.9,该动力分析方法可准确预示发动机结构的动力学特性;相比整体有限元分析方法及传统(单级)子结构法,其建模、求解效率得到大幅度提高;验证了多重动态子结构法是研究大型复杂结构动力问题的一种有效方法。     

双脉冲固体火箭发动机隔舱打开与破片运动过程模拟

相比传统固体火箭发动机,具有能量管理特性的双脉冲固体火箭发动机结构更为复杂,为了提高其工作可靠性,针对核心部件金属隔舱的破片运动过程开展了数值仿真与试验研究。首先基于LS-DYNA软件,分析中引入监测函数、逻辑开关函数和加载驱动函数,模拟燃气流对破片的连续作用力,计算得到了在不同时刻破片的空间分布规律、撞击点位置及发动机内部损伤情况,保证了破片运动过程的高保真还原。其次,为了验证仿真结果的准确性,进行了模拟二脉冲初始工况的热流试验,发现破片撞击位置及损伤程度的仿真结果与试验数据一致性较高,其中撞击位置的预示误差小于9%,试验结果充分验证了有限元模型的准确性。由此,建立了适用于双脉冲固体火箭发动机金属隔舱破片运动过程的分析模型,实现了破片撞击位置及损伤程度的高精度预示。     

一种双脉冲发动机的技术研究

提出了一种带有中间喷管的新型双脉冲固体火箭发动机技术方案，设计了一台结构参数可调的试验发动机；改变发动机的结构参数进行多次点火试验，获得了试验数据；对该发动机的多喉道流动过程建立了二维非稳态流动模型，对试验方案进行了大量计算，并与试验数据进行了比较分析。试验结果与理论计算基本吻合，结构可靠，对工程设计有参考价值     

斜切喷管固体火箭发动机喷管流场与推力特性研究

为了研究斜切喷管固体火箭发动机的喷管流场与推力特性,采用二阶精度的AUSM格式求解守恒型N-S方程组并与Realizable k-e湍流模型相结合,对不同角度斜切喷管的流场特性与推力特性进行数值模拟研究。同时,设计斜切喷管发动机推力测试试验台,通过此测试平台获取发动机工作过程的推力曲线,并与数值仿真结果进行对比,验证所建立的数值仿真计算方法的可行性和有效性。结果表明：通过数值仿真方法获得的斜切喷管发动机推力与试验结果之间的误差较小;由仿真与试验结果可知,45度斜切喷管推力作用线与喷管轴线之间存在夹角,表明斜切喷管发动机存在推力偏转现象。此外,该结构喷管流场存在两个激波交汇高压强区域,同时第二道激波结构强度高于第一道。当喷管斜切角度达到40度,随着喷管斜切角度的增加,斜切喷管的质量流量、总推力与推力偏转角不断减小,但减小趋势不断变缓。     

基于部件级模型修正的某发动机整机动态特性计算

针对型号研制初期产品缺乏试验、动力学识别误差较大的问题,采用一种经修正的简化模型计算发动机动特性。首先,使用多类型有限元单元进行整机刚度等效简化建模及单元耦合,计算得到喷管延伸段的结构模态特性;然后,对比喷管延伸段简化模型、全三维模型与振动台模态试验结果,以100 Hz内主要模态频率为优化目标,使用多目标遗传优化算法对简化模型进行修正重构;最后,计算重建后整机模型动态特性,得到发动机模态特性与各部件位置谐响应分布规律。该模型修正方法在型号研制初期不具备试验条件情况下,能通过多轮模型修正得到较为准确的整机动特性。