Multi-phase flow effect on SRM nozzle flow field and thermal protection materials

Multi-phase flow effect generated from the combustion of aluminum based composite propellant was performed on the thermal protection material of solid rocket motor(SRM) nozzle.Injection of alumina(Al₂O₃) particles from 5% to 10% was tried on SRM nozzle flow field to see the influence of multiphase flow on heat transfer computations.A coupled,time resolved CFD(computational fluid dynamics) approach was adopted to solve the conjugate problem of multi-phase fluid flow and heat transfer in the solid rocket motor nozzle.The governing equations are discretized by using the finite volume method.Spalart-Allmaras(S-A) turbulence model was employed.The computation was executed on the different models selected for the analysis to validate the temperature variation in the throat inserts and baking material of SRM nozzle.Comparison for temperatures variations were also carried out at different expansion ratios of nozzle.This paper also characterized the advanced SRM nozzle composites material for their high thermo stability and their high thermo mechanical capabilities to make it more reliable simpler and lighter.      

尾喷管构型对多循环两相脉冲爆轰发动机流场及性能影响

为了研究尾喷管构型对多循环工况下非定常气液两相脉冲爆轰发动机推进性能的影响,运用适应能力强的非结构网格CE/SE(时空守恒元和求解元)方法数值研究了带尾喷管脉冲爆轰发动机的内外流场.结果表明:尾喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响在单次循环和多循环工况下有显著差异;当燃料填充率为1、环境压力为0.1MPa时,完成一个周期各种构型尾喷管产生的平均推力由大到小依次为拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管、收敛喷管、无喷管、直喷管;研究中塞式收敛扩张喷管可以提供最大的冲量和燃料比冲,但完成单个循环的周期最长.      

引射/强迫式波瓣混合器开设通气狭缝的流动分离控制

为了抑制大扩张角波瓣混合器主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,在基准波瓣混合器上开设了通气狭缝,通过数值模拟的方法研究了上述处理对次流分别为受迫流动和引射流动两种情况下的波瓣混合器抑制主流流动分离的效果.研究结果表明:①波瓣扩张角小于35°时,波瓣混合器内没有任何的流动分离的现象发生,当波瓣扩张角增大到35°时,波瓣内开始出现流动分离,继续增大波瓣扩张角,则波瓣混合器内流动分离加大;②对于次流为受迫流动的大波瓣扩张角波瓣混合器而言,开设了通气狭缝后,流动分离得到了有效的抑制;③对于次流为引射流动的波瓣混合器而言,对存在流动分离的大波瓣扩张角波瓣混合器开设了通气狭缝后,流动分离并未得到了有效的抑制,通气狭缝的存在提前诱发主流侧流体的分离.      

滚动球窝喷管动态性能分析

为检验极端载荷作用下,固体火箭发动机滚动球窝喷管动态性能及结构设计的正确性,理论计算中,接头内部,用并联非线性弹簧阻尼器,表征滚动体与保持架间的刚性碰撞;用有限元法为数学工具,以阴、阳球的模态柔性描述其弹性,同时引入弹塑性摩擦接触变形的数值计算结果,建立滚动体与阴、阳球间的弹性接触模型;充分考虑各构件的重量、转动惯量、材料特性及摩擦,建立系统整机刚柔耦合多体动力学模型.计算得到系统及接头内各主要零部件的运动规律、动态接触力、系统摆心漂移量及瞬时作动力矩.通过与系统冷试车试验所测力矩的对比论证,检验动力学建模方法及计算结果的合理性、正确性.     

单边膨胀喷管几何参数对内特性和流场的影响

采用三维数值模拟方法研究了单边膨胀喷管(SERN)主要几何参数对其内特性和流场的影响,计算结果表明:侧壁的延伸对SERN的轴向推力系数Cfa是有益的,但过大的侧壁浸湿面积会产生大的摩擦损失从而使推力性能下降;其中部分封闭侧壁的性能要略微高于全封闭式侧壁,而相比于短侧壁,其Cfa的优势在2％左右;此外,侧壁的延伸可以有效降低设计点的推力矢量角δp;长的曲壁模型拥有高Cfa的同时其δp处于较低的水平,在设计点条件下,最高Cfa可达0.983,这与传统的轴对称喷管和二元收扩喷管相差不大;在高落压比条件下,大的喷管喉道宽高比可以有效降低气流展向膨胀损失从而具有高的Cfa和低的δp,而且其优势随NPR的增大而增加.     

涡轮发动机可调收扩喷管最优面积比

为了分析影响可调收扩喷管最优面积比的因素及其对最优面积比的影响程度,应用MATLAB软件对特定结构喷管的推力系数进行了最优值求解,得到了特定状态下喷管面积比的最优解(对应最大推力系数)。不同于传统的固定喷管,特定结构的可调喷管推力系数最大值并非对应完全膨胀状态,而是对应略微欠膨胀的状态。给出了使用这一优化结果的可调收扩喷管推力系数与使用1维等熵完全膨胀公式计算的推力系数的对比分析。结果表明:采用最优面积比的喷管具有更大的推力系数且对最优面积比影响较大的因素是可用落压比和喉道面积。     

Thermal-structural response and low-cycle fatigue damage of channel wall nozzle

To investigate the thermo-mechanical response of channel wall nozzle under cyclic working loads,the fnite volume fluid-thermal coupling calculation method and the fnite element thermal-structural coupling analysis technique are applied.In combination with the material lowcycle fatigue behavior,the modifed continuous damage model on the basics of local strain approach is adopted to analyze the fatigue damage distribution and accumulation with increasing nozzle work cycles.Simulation results have shown that the variation of the non-uniform temperature distribution of channel wall nozzle during cyclic work plays a signifcant role in the thermal-structural response by altering the material properties;the thermal-mechanical loads interaction results in serious deformation mainly in the front region of slotted liner.In particular,the maximal cyclic strains appear in the intersecting regions of liner gas side wall and symmetric planes of channel and rib,where the fatigue failure takes place initially;with the increase in nozzle work cycles,the residual plastic strain accumulates linearly,and the strain amplitude and increment in each work cycle are separately equal,but the fatigue damage grows up nonlinearly.As a result,a simplifed nonlinear damage accumulation approach has been suggested to estimate the fatigue service life of channel wall nozzle.The predicted node life is obviously conservative to the Miner＇s life.In addition,several workable methods have also been proposed to improve the channel wall nozzle durability.     

空天飞机喷管的气动设计

本文首先阐述了喷管气动设计在整个空天飞机气动设计中的重要地位,介绍了两种用于空天飞机的二维不对称喷管的无粘流气动设计方法。一种是基于 Rao 的最大推力喷管设计方法;另一种是基于最小长度喷管的设计方法。重点介绍了 NASA Langley 研究中心固定几何形状的超燃冲压发动机喷管的气动设计。分析了发动机位置、上壁倾角、外罩内侧倾角和外罩长度对飞行器性能的影响。最后,介绍了空天飞机喷管流动的风洞实验和计算流体力学的进展,并提出了尚待进一步研究的问题。     

临界喷管充气混合装置

一种能快速混合均匀的充气装置──双临界喷管充气装置，及其设计、调节、标定方法，经色谱检验结果表明：性能良好，结构简单，适用于各种预混燃烧试验。     

无人机回收气囊缓冲特性研究

用缓冲气囊的缓冲特性对无人机伞降气囊回收方式进行了研究,并以单个气囊为对象,分析了影响缓冲性能的主要因素,认为质量体积比ｍ ／ｖｉ 和排气口面积 Ａｎ 是决定缓冲效果的主要因素。在理论分析的基础上给出了质量体积比ｍ ／ｖｉ 的最优值,同时建立了排气口分析模型,推导出计算排气口面积的公式,实践证明其结果是正确的,对工程应用具有特别重要的意义。