喷管分离流流动-热-结构顺序耦合数值模拟及试验研究

针对大膨胀比喷管气流分离状态下喷管所受的复杂载荷,采用数值方法分析喷管结构.利用有限体积二阶迎风插值格式及SST涡耗散湍流模型,结合二层增强型壁面函数,求解N-S方程、热传导方程.采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交互数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析.应用有限元方法对给定的温度场及压力载荷作用下的结构进行了瞬态静力分析,实现了流动-热-结构的顺序耦合.采用此计算模型对轴对称拉瓦尔喷管进行了数值模拟,发现在大膨胀比下喷管发生气流分离,经分离处的斜激波后气流温度梯度及压力梯度变化较大,导致该区域应力较大.为验证模型的准确性,开展了试验研究,测得的气流分离位置和计算得到的分离位置很好的符合,说明了计算方法的有效性.     

燃气发生器固定连接结构可靠性改进设计

为满足某火箭发动机燃气发生器固定连接结构长期贮存和长时间高温环境下可靠工作的要求,在保证原固定连接结构形式不变的前提条件下提出了改进设计方案。新的方案采用不锈耐酸钢和高温合金钢替换原普通碳钢,同时采用了新的焊接工艺方法。为了验证新卡箍连接强度和动态特性,进行了模态分析和动应力/动应变理论计算、强度破坏和振动试验。最后通过地面热试车和飞行试验对改进设计方案进行了验证,结果表明新的卡箍提高了结构连接可靠性,完全满足发动机使用要求。     

ANSYS二次开发在火箭发动机法兰结构设计中的应用

氢氧液体火箭发动机密封连接形式常采用一种法兰面贴合的榫槽式密封法兰结构,设计时主要采用有限元方法进行结构强度和密封性分析.为提高设计效率、简化有限元操作,利用ANSYS提供的用户界面设计语言(UIDL)和参数化设计语言(APDL)二次开发环境,开发结构分析程序模块.该程序模块能够将法兰结构有限元分析的前后处理和计算封装在后台操作,用户只需输入结构和材料参数,程序可自动进行有限元计算.利用有限元计算结果,通过垫片应力预测泄漏率进行密封性分析,结合螺栓和法兰最大应力,可确定垫片规格等结构参数和拧紧力矩等装配参数.通过实际应用验证,根据程序计算结果满足发动机热试车使用要求,验证计算方法合理.     

非壅塞固体火箭冲压发动机补燃室内流场数值模拟研究

在冷流情况下对发动机补燃室掺混流场进行了数值求解，然后建立了发动机补燃室简单反应流模型，并在该模型下对某实验发动机进行了模拟，得出了反应物和产物组分、燃速、温度等发动机参数的变化趋势，给出了一些有用的结论，论证了该反应流模型的准确性。     

3D打印骨架增强石蜡燃料燃烧机理实验研究

针对固-液混合火箭发动机中石蜡基固体燃料机械性能差的问题,使用3D打印聚合物骨架镶嵌石蜡的方法增强了石蜡基燃料的结构强度,分析了骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注下的燃烧机理。通过对七种骨架材料进行SEM扫描、力学、热力学分析和纯氧条件下的燃烧试验,获得了不同骨架材料的微观表面结构、机械性能、热分解性能以及在纯氧环境下的燃烧性能;使用直/旋流固-气掺混燃烧试验系统,开展了螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料的燃烧试验,并与ABS固体燃料进行了对比。结果显示,在多种骨架材料中,ABS材料加工性能、机械性能及热分解性能良好;燃烧过程中,骨架增强石蜡燃料结构稳定性良好,石蜡液滴主要出现在石蜡-骨架交界处;旋流喷注和螺旋型骨架可促进石蜡液滴的夹带现象;在直流喷注工况中,骨架的凹槽结构增加了燃料与氧化剂的接触面积,尾部骨架结构具有稳焰作用,可促进后燃烧室的掺混燃烧;石蜡燃料和骨架燃速差异较大,发动机内弹道性能可能受此影响。     

50吨级氢氧火箭发动机的设计与研制

系统性地回顾了长征五号运载火箭芯一级50t级氢氧火箭发动机YF-77的设计与研制历程。通过分析氢氧发动机的特点以及国内外氢氧发动机的发展现状,阐述了国内新一代运载火箭研发的技术路线和50t级氢氧火箭发动机的研制背景;对50t级氢氧火箭发动机的总体技术方案及其特点进行了分析与总结,并在此基础上对发动机主要组件的技术方案及其特点开展分析;对发动机热试车情况、可靠性验证情况和故障排除情况进行了分析;对50t级氢氧火箭发动机的研制情况、技术特点进行了总结,并对国内氢氧发动机和液氧/甲烷发动机的发展进行了展望。     

固体火箭发动机燃烧室三维流动数值计算

采用ｋε双方程湍流模型,以ＳＩＭＰＬＥ 计算程式求解翼柱型装药固体火箭发动机燃烧室内三维非定常不可压流ＮＳ 方程．在建立翼柱型装药简化模型的基础上采用边界标志法来表达燃面推移,采用从二维到三维的初场给定方法结合多重网格法求出了多个时间步的非稳态流场结构．计算结果表明燃烧室内旋涡运动呈现一定的空间与时间分布,周向加质导致燃气通道横断面上轴向速度分布的极不均衡．     

粒子流量可调的喷管烧蚀试验方法

发展了一种保持燃气参数不变的情况下能实现粒子流量可调的喷管烧蚀试验方法,并研制了试验装置。该试验方法是将两相流燃气中的一部分粒子收集起来,以减少流经喷管的粒子流量,通过改变收集孔和收敛角的大小来调节粒子流量。采用该方法开展了变粒子流量的喷管烧蚀试验,试验结果验证了该方法是有效的,试验条件下喷管喉部平均线烧蚀率随粒子流量减小而降低。     

微型固体姿控发动机微喷管内气粒两相流动规律的CFD-DSMC研究

微型固体姿控发动机在航天领域具有广泛的应用前景。以基于MEMS技术的微喷管为研究对象,首先通过计算微喷管中的克努森数,得到了微喷管中的气相流动状态;然后,采用CFD-DSMC方法,模拟了微喷管中的气粒两相流动,并研究了颗粒相质量分数和粒径对气相流动的影响。结果表明,在所研究的来流条件下,微喷管中的连续介质假设是成立的;气相与颗粒相间的动量和能量交换,导致气相马赫数降低、温度升高,同时也导致颗粒相速度增加、温度降低;颗粒相质量分数和粒径均能显著影响气相的马赫数和温度。     

火箭气动设计集成平台中FASTRAN的二次开发

针对火箭设计过程中的气动特性计算,对计算流体力学软件FASTRAN进行二次开发。在C++语言环境下编写火箭气动设计平台中FASTRAN自动化批处理模块。用户使用此模块输入作业的关键参数,自动批量生成脚本文件,并从后台加载计算进程,使用脚本功能自动控制参数设置和计算过程,完成后导出气动力与气动载荷数据,以内置格式自动生成结果报告。这一过程代替人工操作,减少了工作量,提高了设计效率。以两种火箭构型为例,计算并分析得出不同状态下的升、阻力系数和压心位置随马赫数的变化规律。计算结果与实验数据吻合良好,误差在可接受范围内,可以为火箭的初步设计提供参考和依据。