氧换热器在两相流条件下的压力脉动机理分析

氢氧液体火箭发动机氧换热器在研制过程中出现了压力脉动现象，影响了换热器的正常工作。以该型换热器为研究对象，将换热器分为燃气侧、汇总管、圆管等结构，进行了CFD仿真计算，与试验结果对比，修正了传热相关参数，建立了换热器理论计算模型用于参数计算；利用非线性方法分析试验数据，确定了该换热器为混沌系统；利用两相流分析与电路类比两种方法分别针对换热器进行了建模与计算，均捕捉到了相变下换热器内的压力脉动。结果表明：通过CFD仿真及试验修正后的参数用于计算换热器的稳态参数，具有较好的一致性；换热器出现压力脉动时，具有一定非线性特征，且压力脉动越大，非线性程度越高；该换热器出现压力脉动的原因为氧工况接近两相区，相变使得介质密度发生剧变。根据分析结果提出了提高换热器设计压力的改进措施，通过试验得到了有效验证。     

液体火箭发动机低温阀门铝垫片密封性能数值分析

为研究某液体火箭发动机低温阀门铝垫片密封结构在低温工作环境下的密封性能，利用Abaqus软件建立了该结构的二维轴对称模型，计算了低温工作状态下铝垫片密封表面接触压力的变化，并研究了铝垫片在循环温度载荷作用下接触压力下降的机理。结果表明，在低温工作时密封垫片与阀门各部件材料线胀系数不同导致了在温度降低时密封面上的接触力的下降；而铝垫片密封表面上复杂的应力应变状态导致接触压力在温度载荷作用下无法恢复。在温度载荷循环作用下，铝垫片密封面上产生了棘轮效应。垫片的塑性应变在棘轮效应中累积且最大应力值在棘轮效应中下降；接触力会随着温度载荷循环次数增加逐步降低并在一定周期后保持稳定。提出了采用锥形垫片的结构改进方案，并通过仿真验证了该结构在循环温度载荷作用下保持密封压力的有效性。     

单组元300N发动机低温试验研究 (“液体火箭推进”专刊)

为探究低温环境下单组元300N发动机的工作特性，揭示影响发动机低温性能的主要影响因素，以300N发动机为试验对象，开展了模拟飞行工况的发动机低温试验。给出了低温试验研究方法，分别从温度差异对发动机性能影响、催化剂活性差异对发动机低温启动特性影响和低温对电磁阀响应特性影响等方面获得研究结果。结果表明，低温是影响发动机低温性能的主要影响因素，-48℃条件催化剂无法完成推进剂的催化分解，发动机发生爆炸；-30℃条件下起活时间为80.5～87.5ms，发动机可正常启动，且启动温度与起活时间成指数关系；催化剂批次差异也对发动机低温工作性能产生一定影响，不同批次催化剂低温起活时间t10的差异可达91ms；低温试验过程中，电磁阀的关闭受到低温推进剂粘性和背压的影响，产生了明显的迟滞现象，延迟时间约100ms，对发动机在轨的精准控制存在一定影响。     

丙二醇改性水溶液的发汗冷却实验研究

针对液态水相变发汗冷却实验中的振荡、表面温度分布不均及结冰现象,对液体冷却剂进行调研,选取丙二醇添加剂对液态水改性,在主流温度573K,雷诺数1.2×10⁴的亚声速高温风洞中实验研究了不同丙二醇改性水溶液浓度和注入率下多孔平板的相变发汗冷却特性。结果表明：随丙二醇浓度增大,多孔平板对改性水溶液的渗透率增大,多孔平板表面温度的振荡幅度减小,同时振荡周期内温度波峰降低。因此,使用丙二醇改性水溶液作为冷却剂,发汗冷却结构表面温度分布更加均匀,热疲劳损伤减小,承温极限升高,进而烧蚀风险降低,这对有效且高效的热防护系统设计具有重要意义。另外,注入率越大平板表面冷却效果越好,表面温度的振荡幅度越小,因此增大注入率也是改善多孔板表面温度波动的有效方式。     

Two-phase flow effect on hybrid rocket combustion

This study numerically explores the aerodynamic and combustion processes in a hybrid rocket combustor, under a two-phase turbulent flow environment, considering the evaporation, combustion and drag of droplet and droplet ignition criterion. The predictions of temperature, reaction mode, reactant mass fraction, velocity, oxidizer consumption, fuel regression and droplet number distribution enhance understanding of the two-phase combustion aerodynamics inside the combustor. A parametric study of the inlet spray pattern, including spray cone angle, spray injection velocity and droplet size, is performed to improve the operation of reactant mixing and higher fuel regression rate. Analytical results indicate that both the oxidizer consumption and the fuel regression increase with increasing spray cone angle and spray injection velocity in the practical range of operation. However, for stoichiometric operation, the superior spray cone angle is within 20–60°, and spray injection velocity within 20–40 m/s, under a volume-mean droplet radius of 50 μm. The power dependence of solid-fuel regression on total mass flux is found to decrease with rising of droplet mean size.     

Use of reduce gravity conditions for the measurements of forces acting against the displacement of liquids inside containers

A setup called Controlled Rotation of Liquids (CROL) has been developed and used to investigate rotational behavior of liquids interacting with solids under reduced gravity conditions. The CROL setup allows us to evaluate the acceleration needed to overcome the interfacial forces that hinder liquid displacement inside different size containers. The well known Wilhelmy equation is used to explain the experimental results. Comparison between experimental results and theoretical predictions are presented and discussed.     

油膜轴承动态特性参数及转子不平衡的统一识别

将转子不平衡作为引起转子-轴承系统振动的主要原因,本文提出了一种现场、在线识别转子系统油膜轴承动态特性参数及转子不平衡的时域方法。本方法充分利用转子的结构及模态参数以解决测点不足和激振力不可测量等问题。同传统的参数识别方法相比,本方法具有现场、在线、不需人工激振、设备简单等优点。实验结果证明了方法的可行性。     

氢仲-正转化释冷方案及冷量空间利用潜能分析

调研了氢仲-正转化释冷能力及研究现状,介绍了绝热、连续、等温三种转化方式的释冷潜能与工作特征。针对氢空间长期安全贮存,按照转化器布置位置与转化方式,提出四种冷量空间利用方案。研究发现：氢绝热转化在150 K时释冷量最大,为391 kJ/kg;等温转化在110 K时释冷量最大,为394 kJ/kg;连续转化在出口温度大于200 K后,释冷量稳定在491 kJ/kg。所提四种方案中,由于空间排气温度偏低,造成氢仲-正转化潜能无法充分释放,对贮箱绝热性能提升有限。相较于一次绝热转化,在蒸气冷却盘管内连续转化可较充分利用转化冷能,在氢的空间贮存应优先考虑。     

壁面边界对撞击合成动量角的影响研究

为了研究动量比对针栓式喷注器撞击雾化合成动量角的影响规律,基于三相的与水平集耦合流体容积法(CLSVOF)对贴壁液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了数值模拟,并与自由液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了对比,结合试验结果及理论预估结果详细考察了有无壁面条件下合成动量角与动量比的关系,深入分析了造成两者之间差异的根源,揭示了壁面边界对合成动量角产生影响的作用机制。结果表明:CLSVOF方法计算的合成动量角与试验结果一致,最大相对误差约为10%,大多数工况点的相对误差小于5%;有壁面边界的贴壁液膜/自由液膜撞击合成动量角显著大于无壁面边界的自由液膜/自由液膜撞击的;仅一路流体贴壁的撞击合成动量角与常用的入口动量比理论预测值最大相差20°以上,而两路均无贴壁或者均贴壁的撞击合成动量角与理论预测值吻合很好。这一显著差异的根源在于两者撞击形成的高压区分布显著不同。壁面的存在使得撞击点附近形成的高压区对两路流体作用不对称,有壁面边界时壁面承受高压迫使其对贴壁流体有强的作用力,导致垂直于壁面方向动量不守恒,根据入口动量比预测的理论不再适用。     

低温推进剂重定位推力幅值及时序优化

为了减少重定位时间及推进剂消耗量,提升低温末级的机动性及运载能力,采用流体体积函数(VOF)方法开展重定位推力幅值及时序优化研究,分析重定位过程推进剂质心高度、平均动能、卷气率以及平均气泡直径的变化规律,以获得不同推力幅值及推力时序下的重定位时间和推进剂消耗量。结果表明：小推力重定位时间长,推进剂消耗量少;而大推力重定位时间短,推进剂消耗量多。通过合理优化推力时序可以有效减少重定位时间及推进剂消耗量。