基于激光选区熔化的航空发动机喷嘴减重设计及制造技术研究

航空发动机喷嘴是影响燃烧性能的关键部件,其组件众多、结构复杂,尤其内部流道加工困难,导致制造周期长、成本高。然而,作为非主承力件的喷嘴非常适用于激光选区熔化制造技术(SLM),这得益于激光选区熔化加工精度高,自由成形能力强,材料组织致密度高。基于SLM可实现自由制造的技术优势,首先对喷嘴的壳体组件进行了一体化设计,并进行了受力分析和拓扑优化,然后采用SLM打印了成形件,经过测量,可获得13.5%的轻量化效果,打印误差小于0.2mm,满足局部精加工的余量要求,随炉试件力学性能达到传统铸锻件水平。SLM简化了喷嘴的加工工序,缩短了制造周期,流道成形精度高,达到了减轻重量和改善性能的目的。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

碳/酚醛材料的粒子侵蚀

引用均质材料的冲蚀疲劳理论，研究了碳／酚醛材料应用在固体火箭发动机喉衬情况下的侵蚀特性；分别对无碳化层和有碳化层两种状态进行了分析和计算。综合热化学烧蚀计算与实验对比，得到粒子冲蚀的定性定量结果。     

翼柱型药柱内三维湍流流动仿真

应用Ｓｉｍｐｌｅ方法进行了固体火箭发动机燃烧室中的三维流动仿真。所考虑的物理因素如下：翼柱型药柱，三维加质不可压湍流，移动的燃面边界，燃气的热辐射等。方程为：三维连续、动量和能量方程，ｋ－ε湍流模型，三维热辐射通量方程等。为了处理燃面移动边界，提出了标记网格示踪技术。计算结果获得了固体火箭发动机燃烧室翼柱型药柱中三维流动的参数分布。同时，揭示了某些新现象和新规律：翼和柱通道间的几何匹配及其中的加质强度对流动参数有强烈的影响，甚至可能发生反向流动和旋涡；在一定条件下，翼通道下游附近可能产生明显的周向旋涡。     

具有拉伐尔喷口的离心喷嘴雾化锥角调整方法

本文根据液流在离心喷嘴拉伐尔喷口扩张流道内不遵循动量矩定律,雾化锥角不受喷嘴几何特性制约的性质,从工程观点,提出了用改变拉伐尔喷口流道壁面积,调整雾化锥角的方法,试验取得满意的结果.     

引射增力器的性能分析和实验研究

本文叙述了在主流超临界压力比下,引射增力器的性能计算方法,及缩尺寸增力器模型的一些实验结果。比较结果表明:二者能较好地相符。     

姿控发动机喷管内流场及推力计算研究

运用时间相关法数值求解定常Ｎ－Ｓ方程和采用有限体积方法离散控制方程,对姿控发动机喷管内流场及其产生的推力进行了计算,得到了较为精细的流场图象。计算结果表明,不同壁面温度条件可以显著改变喷管壁面附近的流场结构及其产生的推力。     

潜入喷管背壁区流场影响因素实验研究

应用相位多普勒粒子分析仪 (PDPA)对含潜入喷管、通道为矩形的固体火箭发动机冷流模型内流场进行测量 ,研究了雷诺数和背壁空腔形状对背壁区流场的影响。结果表明 ,随着雷诺数增大气流分离点向下游移动 ,回流速度增大 ,椭圆形后封头、直线形喷管背壁构成的背壁区回流速度比圆形后封头、台阶形喷管背壁大。对于潜入深度大的喷管 ,气流在燃烧室壁面分离 ,背壁区形成强旋涡 ;而潜入深度小的喷管 ,分离点会后移至后封头上 ,在背壁区后部形成弱旋涡。     

尾喷管内外超声速流场数值模拟

采用有限元法数值模拟带二次流可调收－扩喷管内外跨声速和超声速流场，在计算中采用四边形等参元确定位移函数，利用加权余量法中的Galerkin法建立有限元方程，数值研究三种型式喷管和四种飞行工况下尾喷管内外流场。计算结果与实验数据符合较好，说明可用此数值模拟技术帮助开展实验研究，进行尾喷管优化设计。     

塞式喷管流场数值模拟

采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式,从考虑к－ε湍流模型的理想气体三维薄层近似Ｎ－Ｓ方程出发,对塞式喷管内外流场进行了数值模拟。计算结果与国外文献十分一致。通过流场分析,对塞式喷管流动机理有了清楚的认识。计算表明ＮＮＤ２Ｍ差分格式及相应计算软件适合于模拟复杂喷流流场,可用于塞式喷管发动机的研究。