斜切喷管火箭发动机燃气射流流场特性研究

为了研究斜切喷管发动机的燃气射流流场特性,采用有限体积法数值求解非定常可压缩N-S方程,对不同喷管角度、不同海拔高度以及不同燃气温度条件下的发动机斜切喷管燃气射流流场特性进行数值模拟研究。结果表明:由于斜切喷管不对称外伸壁面的存在,导致喷管燃气射流流场不再对称; 喷管壁面不对称程度越大,则喷管燃气射流偏转与扩张角度越大; 随着海拔高度的增加,燃气流场核心区域与燃气射流的影响范围、以及射流偏转角度不断增大,但射流核心区域的波节数将不断减小; 此外,燃气温度变化,对喷管流场压强分布影响较小,但对流场速度值影响较大; 燃气温度越高,则喷管出口排气速度越大,致使喷管射流流场的燃气动能越大。     

涡轮喷管出口三维流场研究

本研究旨在对涡轮喷管出口流场做详细了解。利用五孔微型探针测量了单级涡轮喷管出口下游两个轴向位置的流场。通过测定区域横向压力分布准确地分析流场，包括喷管尾流、二次流区域、马蹄涡及损失。准确解出了速度的三个分量、滞上压力、静压、俯仰角及侧滑角。观察到叶尖附近和轮毂处存在明显的涡旋中心，表现为马蹄涡和通道涡合并形成一个单损失核心区。在靠近叶尖和轮毂约为叶片高度１／３的通道区域内，二次流占优势。仅通道中间１／３叶片高度区域内流动特性与设计相符合。将该喷管尾流的衰减与其它叶片尾流的衰减作了比较：该喷管尾流的衰减比压气机叶栅尾流、涡轮环形叶栅尾流或动静叶间距较大的涡轮喷管尾流的衰减要快得多。这种较快的衰减是由于受到与静叶间隔很小的下游动叶（动静叶间距为喷管轴向弦长的２０％）的影响。     

超声速燃气射流流场特性的三维数值模拟

针对固体火箭发动机燃气射流特性,建立了高温高压燃气射流的三维计算模型,采用大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的欠膨胀超声速射流流场进行了数值模拟。计算结果表明,超声速燃气射流与周围大气剧烈掺混过程中形成了重复出现拟周期的膨胀压缩波结构。在射流中心轴线上,静压、速度等参数在出喷口后出现了较大的波动,随着离喷口距离的增加,波动幅度逐渐减小至平稳变化。射流速度沿径向开始在核心区基本不变,到剪切层后衰减梯度较大。随着喷管尺寸的增加,射流在轴向和径向的扰动区域都增大。     

二元喷管气动喉道控制性能的仿真研究

为了研究射流总温与射流通道结构对喷管喉道面积控制的影响规律,文中对二元收扩喷管的气动喉道控制进行数值模拟,研究结果表明:增大射流总温能使喉道面积控制效率增大;对比两种采用不同射流通道的气动喷管,在低射流总压比下采用收敛型射流通道的喷管喉道面积控制效率较高,在高射流总压比下采用收扩型射流通道的喷管喉道面积控制效率较高;射流总压比增大喉道面积控制效率先增大后减小;由此归纳出射流速度增大能明显提高射流的喉道面积控制效率.     

固体火箭发动机水下工作推力特性的实验研究

为了研究固体火箭发动机水下工作时燃气射流流场及推力特性,在连接船体升降平台上开展了火箭发动机水下工作的实验研究。采用高速摄像系统观察了喷管燃气射流在开阔水域的扩展过程,获得了水下燃气射流形态演化过程;对水下火箭发动机的燃烧室压强及推力进行了测量,对比分析了在10 m、30 m、50 m三种水深条件下不同装药火箭发动机工作的推力特性。实验结果表明,发动机水下点火时,水环境与燃气之间的相互作用改变了燃气射流形貌,气液湍流掺混剧烈。随着水深的增大,燃烧室压力基本不变,发动机工作推力减小,水深从10 m增加到50 m时,三种发动机推力均降低了20%以上,且发动机推力与工作深度呈现非线性关系。在同一水深条件下,当发动机喷喉直径较小时,推力减小量较小;当燃烧室压强较小时,推力减小量较小。     

喷管对水下爆轰燃气射流过程影响的数值模拟

为了探究不同喷管构型对水下爆轰燃气射流形态与激波传播过程的影响,基于VOF多相流模型,通过求解二维非稳态雷诺时均Navier-Stokes方程分别对无喷管、加装扩张喷管、收敛喷管的爆轰管水下爆轰过程的内外流场进行二维轴对称数值模拟。研究了喷管构型对水下爆轰过程中形成的透射与反射激波的传播特性、爆轰燃气射流形态演化规律等流场特性的影响。计算结果表明:扩张喷管可以加强向下游传播的透射激波沿轴线方向的指向性,而收敛喷管会减弱透射激波的强度,增强向上游传播的反射激波强度。爆轰燃气泡初期轴向和径向发展速度均随着时间逐渐衰减,喷管对燃气泡的轴向尺度影响较小,但收敛喷管能够显著抑制燃气泡的径向尺度。研究结果可为后续水下爆轰推进的工程化应用提供技术支撑。     

水下超声速燃气射流的初期流场特性研究

针对超声速燃气射流在静水介质中扩展的复杂多相流动问题,在压力水筒中开展了固体火箭发动机水下点火实验;基于雷诺时均Navier-Stokes方法和流体体积模型,对相同工况进行了燃气与水耦合数值求解。研究结果表明：水下燃气射流迅速建立超声速流动后,高速射流的冲击作用导致燃气泡呈现出帽状特征,并逐渐演变为类椭球体的气囊,平均轴向扩展速度约为40 m/s;燃气泡内部流动结构复杂,存在两个剪切涡环与重复出现的激波胞格,射流边界与燃气泡边界的相互作用会导致射流后续演化的不稳定;燃气扩展时通过压力波在水流场中产生高压区,其压力峰值在振荡中逐渐与环境压力匹配,喷管堵盖打开压力、出口截面积是影响推力峰值的重要因素。     

二元喷管射流推力矢量控制技术研究

介绍了射流推力矢量控制技术在排气系统上的应用情况, 分析了激波诱导和喉道倾斜矢量控制方案在二元收敛-扩张喷管上的应用前景, 描述了射流注入二元喷管试验的基本状况.同时指出, 将先进的CFD方法与试验方法结合起来可以大大提高工程实践上的效率.     

斜切喷管工作过程结构变形数值分析

文中分析了某火箭发动机钼合金斜切喷管工作过程中的变形，首先通过对喷管内流场的数值仿真计算．确定喷管内型面承受的温度和压力载荷。然后基于三维有限元模型，对温度和压强耦合作用下的喷管应力场和形变进行了分析。对计算结果与试验测量值进行了对比，较为接近．证明结论可信。     

喷射压力对等离子体射流在液体中扩展的影响

在液体推进剂电热化学炮的内弹道过程中,等离子体射流的喷射压力对等离子体与液体之间的相互作用影响较大。为了研究喷射压力带来的影响,设计了等离子体射流在圆柱形充液室中扩展的观察试验,建立了等离子体射流在液体介质中扩展的二维轴对称非稳态数学物理模型,并进行了数值计算,计算结果和试验结果吻合较好。分析了喷射压力对等离子体射流扩展特性和流场分布特性的影响,结果表明：等离子体射流在液体介质中扩展,喷嘴附近出现了颈缩现象以及高低压相间分布结构,射流头部出现了局部高压区,侧面出现了局部低压区,等离子体射流的形状由椭圆形逐渐变为纺锤形,射流内部的主漩涡逐渐变大并向下游移动。喷射压力越大,Taylor空腔轴向扩展能力越强,轴向长度与破膜压力和时间呈指数关系;同时头部高压区移动越快,侧面低压区出现越晚,射流内部的主漩涡越大,温度波动越剧烈。增大喷射压力能够加强等离子体射流的扩展能力,但是不利于等离子体射流扩展的稳定性。     

发烟剂在高速燃气流场流动情况分析

发烟剂在燃气流场中的成烟过程实际上是射流在主流中变形分散、掺混扩散的过程.利用粒子图像测速技术系统(PIV),通过试验对简单横向圆射流的近尾迹流动进行了测量,主要分析了射流在主流中的穿透深度和掺混长度,并对其中的一些影响发烟系统设计的重要问题进行了初步的探讨.文中叙述了横向射流出口处的流动结构和流动机制,说明了横向射流近尾迹卷吸涡的形成机制,测量了喷口后5倍喷管直径处的横向射流对称截面的流动情况.     

喷管摆动对固体火箭发动机内两相流动的影响

采用颗粒轨道模型（欧拉-拉格朗日模型）以及分区网格技术，对带潜入式摆动喷管的固体火箭发动机中的三维两相流动进行了一体化数值模拟，得出以下结论：凝聚相的存在对发动机中的两相流动有明显的影响，喷管中粒子浓度高的区域速度低，温度高；喷管的摆动造成发动机后翼槽内流动的不对称，并对发动机的性能造成明显的损失，当喷管摆动到一定角度时候,喷管摆向一侧的后翼槽内出现漩涡；喷管的摆动影响发动机后翼槽内以及壁面上粒子浓度的分布。     

固体火箭发动机水下超音速射流数值研究

固体火箭发动机水下点火射流是高温高压条件下复杂的多相流过程,为研究其流场特性与推力特性,选取扩张比分别为3.4和14.0的拉瓦尔喷管模型进行数值模拟。采用计算流体力学方法分析高速燃气超音速射流过程的流场与推力演化过程,揭示高温高压气体与水环境之间的相互作用规律。结果表明：固体火箭发动机水下射流流场结构与推力特性呈周期性变化,根据流场特征可分为颈缩、胀鼓、回击3个阶段;水环境与射流气体之间的相互作用是导致背压振荡的直接原因,同时导致激波运动、动量推力与压差推力的振荡。对比两种扩张比喷管的射流可知,扩张比为14.0的喷管射流形貌与流场结构的周期性变化更明显,扩张比为3.4的喷管背压振荡频率高、周期性特征弱、推力更稳定。     

带有辅助注气的喷管喉道面积控制方法研究

利用数值模拟方法,针对轴对称喷管,研究了主射流对辅助射流的影响,以及主射流流量、辅助注气缝宽度等参数对喷管流动和性能的影响规律。数值模拟结果表明,与普通喉道注气相比,喉道辅助注气可以在喉道下游产生更大的射流穿透深度和回流区,具有更好的喉道面积控制效果。随着主射流流量增大,喉道辅助注气流量逐渐增大,有效喉道面积逐渐减小。主射流流量较大时,可以形成开放的回流区,使喷管实际的膨胀比减小,提高喷管的推力性能。     

采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真

针对小口径枪榴弹尺寸小，舵面和舵机执行机构进行弹道修正存在困难这一问题，采用基于合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正。首先采用计算流体力学软件对单个合成射流激励器模型进行数值模拟，获取合成射流激励不同时刻振动膜的外形变化及对应的喷口流速分布；在此基础上，将合成射流激励器布置在枪榴弹弹体内，指定振动膜的振动方式，通过网格重构算法计算合成射流-弹体绕流-体化流场，获取合成射流激励器作用下弹体表面射流喷口速度与弹体法向力；最后通过6D弹道模型计算小口径枪榴弹的弹道，评估修正弹的修正能力。仿真结果表明，合成射流激励器作用时能够影响小口径枪榴弹尾部局部流场，改变弹体表面压力分布并产生法向力，该力能够满足小口径枪榴弹在射程和横偏方向修正能力需求。     

发动机喷管隔热涂层的设计和模拟计算

喷管是各种喷气或反作用发动机的重要部件,发动机通过高温和高压燃气由喷管向后喷出而获得向前的推力,燃气以对流和辐射的方式向喷管壁面放热,导致喷管温度急剧上升,为此采取等离子喷涂陶瓷涂层隔热防护, 实际连续测量喷管壁温几乎是不可能的,因此通过模拟计算预示喷管工作过程中的壁温分布是非常重要的.本文根据高温发动机喷管的受热特点,对喷管内壁设计了6种热喷涂涂层,利用Marc软件及Mentat 前后处理程序,建立了轴对称喷管的物理模型,仿真计算了在不同涂层下喷管受固定温度热载时的温度场,分析了受热最严重的喉截面瞬态受热温度分布,为合理选择喷管基材及涂层材料、优化涂层提供科学的依据.     

固体火箭发动机射流推力矢量喷管气固两相流数值模拟

用颗粒轨道模型对基于激波控制的二维收缩扩张(2DCD)喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,并与纯气相条件下的计算结果进行了对比分析,研究了1～40μm不同直径颗粒的运动轨迹和内流场参数的分布特征,并对矢量喷管的推力性能进行了研究。研究表明,颗粒相的加入和颗粒直径的变化对矢量喷管的内流场和推力性能都有较大影响。在进行射流推力矢量喷管的设计和性能计算时一定要考虑颗粒相的影响。     

火箭发动机水下启动过程流场数值模拟研究

利用流体分析软件Fluent对水下火箭发动机启动过程流场进行了仿真。基于压力的求解器,采用了二维双精度解算器和轴对称理想水流场模型; 时间采用一阶隐式离散; 压力速度修正选用SIMPLE方法; 多相流采用VOF模型; 湍流模型采用K-epsilon模型,对处于50 m深水中的火箭发动机启动过程中喷管流场、尾流场进行了详细研究,分析了各参数的变化过程对喷管性能的影响。结果表明,对于给定的喷管,当喷管达到了超音速流动之后,马赫数都是确定的,当地的静压和总压成正比; 水下火箭发动机轴向压力总体的变化趋势是在振荡中逐渐减少的,最后降低到环境压力; 不同时刻轴线上温度的分布规律和速度基本相似。     

来流和尾焰相互作用对导弹底部加热的数值仿真研究

为研究导弹飞行时,来流和尾焰相互作用对导弹底部的加热特性,对不同飞行参数和喷管摆角下导弹燃气射流流场进行了三维数值仿真研究,分析了导弹底部区域流场温度和流动参数的分布特点。研究结果表明,导弹飞行过程中,空气来流和喷管燃气射流相互作用,在导弹底部区域形成低速回流区,回流区内气体温度随导弹飞行高度、速度增加而上升。相比无摆角时,喷管摆角的存在使导弹底部回流区气体温度升高,喷管摆角越大温度升高越多。导弹在高空高速飞行和存在较大喷管摆角时,导弹底部加热较为严重,需采取适当的热防护措施。     

火箭底部流动的TVD数值模拟

火箭高速飞行时，其发动机喷管排出的燃气流与外部超音速气流将激烈地相互作用，这种气动力干扰直接作用在火箭上，影响火箭的飞行性能。文中采用有限差分法，解火箭喷管排出的超音速欠膨胀射流和外部超音速绕流混合流动欧拉方程组，数值模拟结果与实验结果对比表明，数值精度合理，为此类流动提供了一种预测方法。