双组元姿控发动机喷管化学反应流场数值模拟

本文对混合比为０．９、１．０、１．１三种状态下工作的双组元自然推进剂（肼／四氧化二氮）姿控发动机喷管内化学反应流动进行了数值模拟。数值模拟时采用了弱耦合点隐式方法的数值方法及肼／四氧化二氮的十二组分、十三个基元反应的有限速率化学反应模型。得到了三种混合比下反应流及混合比为１．０时冻结流发动机的推力和比推力、喷管中的流动参数及各组分的质量分数。分析表明，数值模拟的结果与理论分析一致，结果可靠。本文工作为姿控发动机的喷管设计提供了理论依据。     

硅基材料烧蚀模型研究

对冲压发动机燃烧室所使用的硅基热防护材料，用以往的单纯因二氧化硅液态层被气动吹除减薄的模型进行烧蚀计算，计算结果和实际偏差很大。我们根据硅基热防护材料的实际特性，在原有的液态层模型的基础上，考虑了夹杂碳化层对熔融态硅基的补强作用，提出了既有液态层吹除也有化学反应烧蚀的新模型，即考虑了热解、熔融和碳化、气动吹除结合化学反应烧蚀的多因素过程。并根据硅基热防护材料的烧蚀特点，根据发动机模型的试验结果，初步总结出了液态层粘附力的经验公式。从物理概念上分析可以看出该模型基本符合实际情况；从多种工况计算结果可看出，新模型和经验公式是比较合理的。     

高空羽流撞击效应试验研究

试验研究了低密度环境下小发动机喷管高空羽流对平板模型的撞击效应。试验在高超声速低密度风洞中进行,试验气体选为氮气。对3个不同几何形状的小发动机喷管的共40个试验状态进行了测量,测出了平板模型上的表面压力分布,并对试验结果进行了初步分析。文章为研究数值模拟高空羽流撞击效应提供了试验证据。     

一种新颖的基于总能量守恒的化学平衡流算法

在推进剂燃烧的建模上,传统的热力计算方法一般基于总焓守恒求解定压绝热燃烧温度和平衡组分,不能考虑壁面传热;在燃气流动的建模上,通常采用的冻结流模型认为本地的组分及热物理性质与燃烧室瞬时一致,忽略了这些参数因来流气体与本网格滞留气体掺混带来的随时间的缓变效应。提出了一种新颖的可以考虑壁面传热的基于总能量守恒的化学平衡流计算方法,运用Fortran2008语言,采用面向对象编程方法建立了化学平衡流燃气发生器管道的模块化仿真模型,并将该模型应用到一个包含42个组件的涡轮试验台气路系统的建模与仿真中。与早期模型仿真结果及试验数据的对比发现,新模型的仿真结果有一定改进,更加接近试验数据。     

燃气源控制气流绝热热流数值模拟

提出了一种新的求解复杂稳态全速度统一流场的方法,即先采用PISO算法计算一假想的非稳态流场用以获得一时间点上的流场参数分布,然后将这一时间点上的流场参数作为初场,用SIMPLE算法进行稳态流场的计算,进而得到较满意的收敛结果。用这种方法计算了某燃气源控制气流在假定固体壁面为绝热边界的条件下的三维热流流场,得到了流场的各参量分布情况,并与冷流的计算结果进行了比较分析。     

自由射流超燃冲压发动机燃烧室流场对比计算研究

提出一种针对喷射的简化模型，拓展了二维／轴对称NS方程模型的适用范围。通过算例验证，显示出源项加质方法具有良好的质量守恒性。针对文献中的实验进行了对比计算，结果表明，数值模拟与实验点符合得较好，验证了方法的可靠性。采用上述简化模型，针对化学反应过程与流动过程采用了耦合与解耦这两种方法，对放置在自由射流实验台上两种构型的缩比发动机燃烧室段进行了考虑化学反应流场模拟，得到了主要气动参数的分布图。研究了总压耙等测量装置对于流动的影响。计算结果表明，数值模拟所得到的壁面静压值与实验壁面压力符合得较好，并且为合理布置测量仪器提供了一定的参考。     

超声速补燃的数值模拟和实验研究

利用富燃料固体推进剂燃烧产生的高温燃气与侧喷空气混合进行了超声速补燃实验。运用有限体积法求解轴对称N－S方程和组分方程，对实验流场进行了数值模拟，计算中采用了LU时间陷式格式、MUSCL空间离散方法、12组分16反应的化学反应模型，对化学反应源项进行了点隐式处理。结果表明：实验方法可行，计算结果合理、可靠。     

应用于DSMC方法的二维Voronoi网格技术

研究了Voronoi网格技术并将其应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算.基于Dirichlet镶嵌与Voronoi图理论,Voronoi网格利用特征点表征网格单元,具有建立粒子与网格单元之间映射关系的独特算法,适合于DSMC方法的统计特点.在剔除过于靠近边界的特征点以及必要情况下边界细化的基础上,通过区分由边界节点表征的非完整Voronoi网格单元以及由计算区域内镶嵌点表征的完整Voronoi网格单元,解决了Voronoi网格的二维边界匹配问题.Voronoi网格技术支持自适应DSMC计算.映射效率对比表明,Voronoi网格的DSMC计算效率高于三角形网格,低于多级直角网格.通过MEMS微喷管流动数值模拟,验证了Voronoi网格技术在DSMC方法中的有效性.      

压力波对垂直管低温气液掺混冷凝的影响

为了分析高压补燃液氧煤油发动机氧泵间管内气液两相掺混冷凝及其压力波传播过程,建立了可产生压力扰动的垂直管低温气液两相掺混实验系统,以氧气/液氧为实验工质,开展压力波对垂直管内低温气液两相掺混冷凝的影响研究,获得了不同压力波频率和氧气流量工况下的掺混图像,分析结果表明:压力波会使发散流型由微弱振荡冷凝向间歇振荡冷凝转变,使椭圆流型由稳定冷凝向振荡冷凝转变;在0~52 Hz不同频率压力波作用下,发散流型最大轴向冷凝长度与掺混孔径之比在10~30之间,椭圆流型的比值在8~15之间变化;压力波对气相摆动频率起主导性和正相关性的影响。     

采用N_2O与含金属HTPB燃料固液火箭发动机燃速试验研究(英文)

为了研究含金属固体燃料固液火箭发动机的燃速及发动机的工作特征,采用N2O氧化剂与含Al,Mg和C的HTPB基固体燃料的固液发动机进行试验研究与分析,试验在3种尺寸药柱、多种氧化剂流量下进行,获得发动机的燃速、燃烧室压强及燃烧效率等参数。为分析辐射换热对燃速的影响,把燃速分成两部分并提出相应的分析式:一部分由对流换热控制的燃速,由通过药柱通道的总质量流率来衡量;另一部分由辐射换热控制,通过燃烧产物中凝相组分对固体燃料壁面的辐射换热量决定。对试验结果进行分析发现,除富氧的情况外,热辐射控制的燃速约占总燃速的30%~60%,辐射控制燃速与对流控制燃速的比例趋势与燃烧产物中凝相组分的质量分数随氧燃比的变化规律相似。同时,试验结果显示,试验燃速总体上随着固体药柱通道中氧化剂质量流率的增加而增大。发动机的燃烧效率绝大多数位于80%~97%的范围,在化学当量比附近和富氧范围内,随着燃烧温度的降低而降低,效率曲线与理论绝热燃烧温度值的平方相似。