冲击作用下推进剂变形的流固耦合分析方法

固体火箭发动机的点火过程是一个复杂多变的理化过程,具有时间短、升温、升压梯度大等特点。针对固体火箭发动机点火过程中的装药结构完整性问题,文中建立了一套用于分析冲击作用下固体推进剂变形现象的仿真模型。采用RANS和ALE方法,分别对流体域和固体域进行求解,以两场独立交叉耦合迭代的模式实现了仿真过程。以一个推进剂冷流冲击实验作为算例,对仿真模型进行了验证,计算值与测量值间误差不超过10%,仿真模型计算可靠,具有向固体火箭发动机实际点火过程拓展的价值。     

一种局部动态数据交换方法在流固耦合分析中的应用

 准确有效的数据交换方法是流固耦合(FSI)计算的关键,为此,提出了一种局部动态的耦合界面数据交换方法,一方面避免了曲面拟合方法由于病态矩阵引起的数值不稳定性和整体插值计算量大的问题,另一方面克服了表面跟踪方法引起的表面不光顺、出现锯齿状的问题。为了验证该方法,对三维柱面和某临近空间螺旋桨及某高空气球进行了分析,并与常体积四面体(CVT)方法做了比较。结果表明该方法在数值稳定性和表面光顺性方面有很大优势,是一种适合流固耦合分析的界面数据交换方法。     

GAP接枝海因与推进剂组分相互作用的分子模拟

为了研究GAP推进剂新型键合剂与固体填料相互作用的程度和实质,针对聚叠氮缩水甘油醚(GAP)和GAP与3-炔丙基-5,5-二甲基海因(PDMH)的反应产物(GAP_PDMH)分别与RDX,HMX,AP构成的模型体系,利用分子模拟软件Materials Studio,通过分子动力学模拟,计算了上述各个体系的相互作用能和径向分布函数。计算结果表明,上述体系中的相互作用属于范德华力和静电力等非价键作用,GAP_PDMH与RDX,HMX,AP之间的相互作用强于GAP与它们之间的相互作用,其主要原因是GAP_PDMH上新增的三唑基团、海因基团与RDX,HMX,AP上的原子之间存在较强的相互作用力。径向分布函数的结果证实了某些原子之间存在着较强的氢键作用,而另一些原子之间有较强的范德华作用。GAP_PDMH应用于GAP推进剂,实验结果显示抗拉强度和延伸率大幅度提高,证明上述分子模拟的结果正确,可以为GAP推进剂新型键合剂的研究提供参考。     

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。     

端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅流场影响机理的对比研究

附面层吸/吹气是抑制流动分离、提高压气机叶片负荷的有效技术途径。针对超声速压气机叶栅内激波诱导的角区分离,分别采用多种不同的端壁吸/吹气方案对其进行流动控制,旨在探索端壁吸/吹气对激波干涉下角区分离的控制机理,并对比分析端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅角区分离的控制效果。结果表明:在激波/端壁附面层干涉下,该超声速压气机叶栅内存在大范围的激波诱导角区分离,角区分离使得该超声速叶栅存在强三维效应,二维叶栅中的单正激波变为"斜激波+正激波"结构,叶中吸力面尾缘开式分离变为闭式分离;端壁吸气可有效抑制该超声速叶栅的角区分离,吸气后近端壁区损失系数大幅降低,最优端壁吸气缝方案的起始点与亚声速压气机叶栅相同,但端壁吸气后叶中的双激波结构变为单正激波结构,叶中流动分离增大;端壁吹气也可有效抑制角区分离,其控制效果略优于端壁吸气,其原因是吹气缝处的静压高于吸气缝,对激波的增强作用弱于端壁吸气;与端壁吸气方案不同的是,最优端壁吹气缝方案的起始点位于叶片前缘。     

基础振动诱发的流体-管道轴向耦合振动特性

针对轴向基础振动对管道和流体波动的影响,运用轴向基础振动下液压直管道轴向耦合振动数学模型,推导了4种不同管端约束方式下的边界条件,并采用特征线法对不同约束方式下基础振动诱发的管内流体波动进行了研究,分析了管端约束方式、约束刚度、基础振动参数、结构参数对管道出口压力波动幅值的影响。结果表明:与两端固定约束相比,出口轴向自由和入口轴向自由时出口流体压力波动幅值分别增大了很多,且出口处约束刚度越大,压力波动幅值越小;基础振动频率越大,流固耦合作用越剧烈;压力波动幅值随基础振动幅值增大而线性增大;流体流经管道的距离越长,流体波动越剧烈。分析结果能为制定相应的管道振动控制策略提供理论依据。      

安溢活门动态流场数值模拟研究

为了研究安溢活门主阀开启过程中的动态流场特性,采用Fluent动网格法和用户自定义函数方法对其进行流固耦合数值模拟。通过Fluent 3D非定常显式耦合求解器以及虚拟挡板技术求解某时刻主阀腔内的气压力,并通过有限气容充放气过程方程确定背压腔充放气过程对膜片的气压力,得到膜片上的总和力。进而通过求解质量弹簧阻尼系统动力学方程确定主、副活阀的运动速度和位移。结果表明:活门开启过程中开度越大,阀道内流场越复杂,流动越不稳定;活门开度增大,阀座处流量线性增加,入口腔流量变化平稳,而出口腔流量波动较大;随着开度增加,活门不同位置和膜片上的气压力变化规律不同。     

基于气弹耦合的旋翼桨涡干扰噪声预测方法

建立了基于气动/弹性耦合的旋翼桨涡干扰（BVI）气动和噪声分析方法。气动模型包括修正Beddoes尾迹模型和CFD模型,噪声计算采用基于声学类比法推导出的FW H（Ffowcs Williams Hawkings）方程,弹性桨叶动力学建模采用有限元方法。应用所建立的方法,对刚性的OLS（operational load survey）旋翼桨涡干扰状态的气动和噪声特性进行了计算,对比了两种气动模型在研究桨涡干扰问题的有效性;以弹性的HART Ⅱ旋翼为研究对象,分析了桨叶弹性、时间步长对桨涡干扰气动载荷和噪声的影响。结果表明:进行桨涡干扰计算时所采用的时间步长不宜超过2°。CFD方法由于固有的数值耗散,计算出的OLS旋翼噪声声压峰值仅为试验值的60%,而修正Beddoes尾迹模型能够避免数值耗散,且具有高效率的优势。考虑桨叶气动弹性能够提高旋翼桨涡干扰噪声的预测精度。      

脉冲爆震燃烧室与涡轮相互作用的试验

采用汽油和空气作为燃料和氧化剂,进行了脉冲爆震燃烧室(PDC)与涡轮相互作用的原理性模型试验装置的试验.试验结果表明:PDC工作平稳,在发动机爆震工作时压气机出口空气质量流量比用于PDC产生爆震的空气质量流量大100kg/h左右;在PDC出口前已形成充分发展的爆震波,压力波经过涡轮膨胀后峰值压力和波速明显降低;且充填系数越大,各位置处的平均峰值压力越高,压力波经过涡轮后的衰减越小;涡轮在经受累计40多分钟共12 000多次脉冲爆震波或压力波的冲击后仍然完好无损.