发动机和羽流对地球同步卫星底部辐射加热的计算研究

地球同步卫星工作过程中法兰底座所受的辐射加热对法兰上的控制开关等零件的安全有重要影响。为此,建立了节点网络法计算发动机和隔热屏对卫星法兰底座及控制开关的辐射加热,比较了发动机、隔热屏和羽流3种辐射源的作用大小,还研究了发动机位置的平移对底部法兰及控制开关辐射加热的影响。研究表明:羽流对法兰和控制开关的辐射热流最小,发动机对法兰和控制开关的辐射热流最大;法兰和控制开关上不同侧面受到的辐射加热很不均匀,面向发动机正面的侧面辐射加热最强,面向发动机头部的侧面辐射最小;发动机向后平移可以显著降低法兰和控制开关上辐射热流的最大值。     

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

高频不稳定燃烧的声学数值仿真

高频不稳定燃烧一直是液体火箭发动机研制过程中所要面临的重大难题之一.采用具有低色散低耗散特点的计算气动声学方法,对自燃推进剂变轨发动机(OME)的高频不稳定燃烧进行时域下的数值仿真.由Crocco的压力时滞模型对燃烧热释放和声波之间的耦合进行模拟,并对不同的时滞模型参数对稳定性结果的影响进行了分析,给出发动机的稳定性极限图,确定一阶切向及一阶径向振型为主的不稳定振型,与地面试车实验捕捉到的不稳定振型相一致.结果表明:采用计算气动声学方法对带有Crocco压力时滞模型的声波扰动方程进行时域下的数值求解,可以对发动机的高频不稳定燃烧进行成功地预测.      

超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟

对超声速横向气流中燃料雾化过程采用欧拉-拉格朗日方法进行了数值模拟,气相场用欧拉法计算,液相场采用拉格朗日粒子跟踪方法计算,通过方程源项考虑液相对气相的影响.在液相的拉格朗日计算中采用改进的混合雾化模型来研究雾化过程.针对超声速横向气流中雾化的特点,结合雾化机理和实验测量结果,对原有的混合雾化模型进行了改进,并将改进后的计算结果与TAB(Taylor Analogy Breakup)模型和Reitz波模型的计算结果进行了对比.结果表明:改进的混合雾化模型的计算结果与实验测量值符合较好,更适合用于超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟.     

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

高马赫数下横/逆向喷流干扰流场数值研究

横向喷流和逆向喷流广泛用于高超声速飞行器气动力与气动热控制。采用格心型非结构有限体积法求解基于三温度热化学非平衡模型的全Navier-Stokes方程,对高空、高马赫数来流条件下二维圆柱状构型飞行器的喷流干扰流场进行数值模拟,研究了仅存在横向或逆向喷流以及横/逆向喷流同时存在时的复杂流场结构以及喷流降低热流、减阻、改善升力的具体效果。通过控制变量的方法,探究了不同参数（马赫数、静压）的喷流对流场结构及飞行器的气动力、气动热的影响规律。结果表明：在一定条件下,当逆向喷流与横向喷流同时存在时,下游的横向喷流可以影响到上游的逆向喷流流场结构;逆向喷流可以显著减小高超飞行器阻力,并降低头部壁面热流峰值,而横向喷流对高超飞行器的升力特性有一定提高;在横向喷流已用于飞行器姿态控制的情况下,一定条件下可以同时使用逆向喷流,既可以减阻、又可以降低热流峰值,还可以提升升力。     

双支板超燃冲压发动机燃烧特性研究

为研究分级喷注超燃冲压发动机火焰稳定、燃烧状态及火焰传播特性,以双支板超燃燃烧室为基本构型,开展了当量比连续调节试验研究。模拟低飞行马赫数5.5工况,燃烧室入口马赫数为2,总温1436 K,试验表明:燃烧室单独上游喷注熄火当量比为0.19,该值不受下游燃烧的影响;单独下游喷注熄火当量比为0.46,上游火焰会削弱下游当量比变化对壁面压力的影响,并且会使下游熄火当量比值降低。通过调节上游当量比可实现燃烧状态的转换,转换过程存在迟滞。模拟高飞行马赫数6.5工况,燃烧室入口马赫数为3,总温1 899 K,试验表明:随着总温的增加,单独上游喷注可实现点火和稳焰,上游火焰发生抬举,燃烧室抗反压能力增强,可喷注更多燃料。     

基于预处理的非稳态流场计算方法

采用预处理方法可提高Navier-Stokes方程或Eu ler方程计算低马赫数流场的准确度和收敛性能。采用双时间步和预处理相结合的方法计算非稳态流场,保证了采用预处理方法后计算结果的时间精确性。在每一物理时间步,控制方程虚拟时间导数项采用LU隐式时间格式,对流通量采用AUSM 和MUSCL格式进行求解。通过对前台阶流和圆柱绕流的计算,验证了该方法的广泛适用性和计算结果的可靠性。     

双支板超燃燃烧室变当量比喷注试验研究

为研究超燃冲压发动机分级喷注的性能特点,基于双支板燃烧室开展变当量比喷注下的燃烧现象、释热规律以及发动机内推力性能试验研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K。煤油流量的调节速率分别为11.97g/s~2和35.90g/s~2。不同当量比调节速率的试验表明,当量比调节速率不影响试验结果。随着上游当量比的减小,上游火焰由充满支板尾部逐渐转变为在剪切层附近分叉。试验中发现,燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态。上游燃烧状态下,上游当量比相同而下游当量比不同时,燃烧室内推力差别不显著;下游燃烧状态下,增加上游喷注会提高燃烧室性能。上游燃烧状态变化到下游燃烧状态的上游当量比为0.19。在相同总当量比下,上游多分配当量比获得的上游燃烧状态可使内推力增加。     

定几何混压式轴对称超声速进气道设计及性能计算

给出了定几何混压式轴对称超声速进气道型面设计及性能计算方法,进行了算例计算。对亚临界状态下脱体激波的计算进行了研究,给出了进气道临界状态性能参数随飞行马赫数和高度的改变而变化的曲线。分析了进-发匹配过程,以及进气道的自调节能力。计算得到了基于进气道性能最优,即进气道工作在临界状态条件下,碳氢燃料冲压发动机的供油规律,为进气道大范围寻优设计打下了基础。