载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法研究

快速有效的舱内热环境预测分析方法及工具在载人航天器的设计中具有重要的研究地位,而预测方法的合理性、准确性及其计算速度是此类问题研究中的重点和难点。文章围绕计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值计算方法阐述了载人航天器中导热与对流换热的耦合求解问题,分析了不同的求解原理和特点。为了缓解计算速度的问题,基于航天器舱内热环境CFD数值预测方法提出了一种全新的"流场/温度场松耦合"计算方法。对比分析了此方法中温度场在不同时间步长下的计算结果,对计算步长的选取给出了合理的判定准则,同时还分析了不同时刻下设备表面对流换热系数和温度场的计算结果,结果表明文章提出的"流场/温度场松耦合"计算方法在大幅提高计算速度的同时还能在一定范围内保证计算精度,具有一定的工程应用前景和价值。     

返回舱垂直自由入水砰击过程的数值模拟

文章数值研究返回舱垂直自由入水砰击过程中水气流场与返回舱运动之间的动力学与运动学耦合问题。水气两相流的流动方程选为非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS）方程和Realizable k-ε湍流模型,返回舱的运动方程选为刚体的一维平动方程,水气交界面的追踪采用流体体积函数（VOF）方法,返回舱与水面之间的相对运动采用动网格技术实现。在计算方法得到试验验证的基础上,数值研究了返回舱的不同触水速度、质量对入水过程中砰击力、加速度等参数的影响规律;给出了入水过程中加速度峰值与触水速度及质量之间的定量关系式;发现了返回舱底部的入水砰击压强峰值发生在入水初期,且压强峰值始终位于喷溅射流的根部。     

高超声速热流计算湍流模型性能评估

采用计算流体力学方法,通过对高超声速来流下双椭球热流计算,综合分析了影响壁面热流预测精度的因素.针对工程上4种常用的湍流模型:BL(Baldwin-Lomax)模型、SA(Spalart-Allmaras)模型、k-ω模型及SST(Shear-Stress Transport)模型,评估了其在高超声速热流预测中的性能,获得了湍流模型下壁面法向网格雷诺数对热流计算的影响规律.此外,对高马赫数下不同后掠角钝舵模型进行热流计算,获得了后掠角对钝舵前缘热流峰值的影响规律.研究表明,两方程湍流模型相比一方程和零方程模型更适合高超声速气动热计算,其中SST模型对热流预测精度更高,总体性能更为优异;钝舵驻点线最大热流随后掠角增大呈非单调变化,在后掠角约为22°时热流达到峰值.      

脉冲等离子体推力器羽流的一体化粒子模拟

将DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法与一维MHD双温放电模型相结合,一体化模拟NASA Glenn PPT羽流。对不同出口偏转角的羽流场进行模拟,给出了不同偏转角度下离子、电势、温度的变化情况,并与实验结果进行了比较。结果显示,该模型具有一体化(从工作过程到羽流)预测脉冲等离子体推力器羽流的能力。人工偏转角的加入,增强了羽流的扩散,使得羽流径向扩散、轴向收缩、回流减弱,同时对放电模型带来的不足有一定改善作用。     

高马赫数射流预冷试验装置设计及试验验证

为加速中国射流预冷技术的研究,设计了1套基于高马赫数的射流预冷试验装置。对试验装置需满足的功能流程和设计需求进行了识别,明确了试验装置的组成;对试验段和水系统的结构进行了详细设计,提出了直杆型和圆环型2种不同喷杆布局的射流段,并对使用2种射流段时试验段的流场均匀性进行了分析,认为直杆型射流段的温度场和压力场分布更加均匀;选取几种典型的试验工况,对所设计的试验装置进行了温降特性、总压恢复系数以及流场均匀性等试验验证。结果表明：试验装置总体运行良好,结构设计合理,能够完成全工况下的射流预冷试验,其温降特性、总压恢复系数和流场均匀性符合试验预期,研究成果对中国航空领域射流预冷发动机的研制具有指导意义。     

固体火箭发动机药柱内应力的产生与预防

对固体火经柱裂纹的产生机理及改善裂纹的方法进行了探讨，认为药柱裂纹是药柱本身的内应力千成的，其机理是药柱内部的自由体积膨胀和交联收缩导致内应力产生。根据分析，通过寻找最佳材料配方和工艺参数来减少热应力的产生，并采取措施使已产生的内应力释放等方法，可减少或避免药柱裂纹的产生。     

减压器开启过程内部流场的动态仿真和特性研究

针对自主研制的大流量气体减压器,以研究其开启过程内部流场的变化和动态特性为目的,建立了减压器工作过程的二维数学模型,采用动网格技术和流固耦合仿真技术,将气体的流动和活动组件的运动耦合起来,实现了减压器开启过程中内部流场的动态仿真。同时,通过对流场中不同位置参数的监测,进行了基于动态流场的开启过程动态特性研究。     

热力学效应对低温诱导轮旋转汽蚀影响的数值研究

诱导轮是液体火箭发动机中提高涡轮泵性能的关键部件,而旋转汽蚀是引起诱导轮故障的原因之一。低温液体发生汽蚀时会产生大量的潜热,对汽蚀流动产生重要的影响。利用基于Rayleigh—Plesset方程的混合流体模型,并考虑了汽蚀热力学效应,对诱导轮二维叶栅中的低温旋转汽蚀现象进行了数值分析。计算结果表明,考虑热力学效应时,产生旋转汽蚀的入口压力值下降;低温条件下的温度变化对超同步旋转汽蚀没有影响,而对次同步旋转汽蚀影响显著。     

空间站热分析综述

作为空间站研制、试验和运行管理的重要基础,系统级热分析已在国内外广泛开展。文章对空间站舱内空气流动分析、温湿度控制分析和以流体回路为核心的整体热建模分析等进行了综述,以国际空间站为重点介绍了这些技术的发展、实施方法、技术特点和作用。