基于旋转阀的固体火箭发动机燃烧室压强振荡特性

针对基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应函数测试系统存在不易进行相位角测量、压强振荡及内流场分析的难点,设计一套旋转阀冷流实验系统,建立对应的压强振荡理论计算模型和三维瞬态内流场仿真模型,研究燃烧室压强振荡及其内流场特性。开展不同排气频率的冷流实验和理论计算,并与仿真模型进行对比。结果表明:仿真计算中单个转子排气通道周期性摆动运动可代替多转子排气通道单向旋转运动,且误差小于1%;仿真计算获取的排气周期与实验对比的误差小于1.2%;对于压强峰-峰值,仿真比实验小且相差数值由20 Hz的0.019 MPa降低至300 Hz的0.001 MPa,验证了仿真模型的有效性;为后续研究旋转阀工作过程中燃烧室压强振荡及流场变化提供了新的思路和途径。     

基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应测试方法

针对固体发动机燃烧不稳定问题,提出一种基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应测试方法,并对应设计了一套可开展冷气和推进剂点火实验的旋转阀实验系统.通过23 Hz、46 Hz、69 Hz 3种不同振荡频率的冷气实验及理论计算,发现两种结果对比误差最大值为4.35％,验证了圆光栅定位组件测试旋转阀次级排气通道面积和压强延迟时间...     

流固耦合数值模拟方法及其在分段式SRM的应用

固体火箭发动机工作过程由于结构变形与内流场之间的流固耦合作用可能造成发动机内流场压强振荡,导致载荷的动态受力甚至可能毁坏载荷。从耦合算法、界面数据传递、动网格算法三个方面介绍了流固耦合数值计算方法,总结了流固耦合在分段式固体火箭发动机工作过程压强振荡方面的研究及应用进展。指出基于分离解法,结合流场大涡模拟模型,能较好的求解固体发动机内因流固耦合因素导致的压强振荡问题。     

带侵蚀燃烧效应的阶梯多根装药火箭发动机三维内流场特性

为研究阶梯多根装药火箭发动机的内流场特性,采用Fluent计算软件对侵蚀比和平均侵蚀比两种内流场模型分别进行全三维数值模拟。基于自定义函数接口编程进行二次开发,提取侵蚀比模型每个节点的坐标和压强以及平均侵蚀比模型每个燃面的平均压强,导入燃速公式和质量流率公式,来控制边界网格的移动速度和单位面积燃气进口质量流率。通过数值模拟得到两种内流场模型各个时刻的压强空间分布信息以及燃烧室前、中、后3个监测点的压强-时间曲线,对比两种模型的计算结果,着重对侵蚀比模型的内流场和药柱内外压强差进行分析,并与试验结果进行对比。结果表明：两种模型最大压强差不超过3%,在平衡压强段后基本一致;侵蚀比模型在发动机工作过程中药柱没有出现明显的侵蚀燃烧喇叭型,前级高压区药柱内外压差最大不超过3.9%,在后级低压区药柱内外压差最大不超过8%;3个监测点的压强-时间曲线与试验数据吻合度较好;研究结果可为类似结构的固体火箭发动机数值模拟提供参考。     

喷水系统对W形地下空间热发射流场的影响

采用喷水系统改善导弹地下空间热发射过程的流场，以达到削减压力脉冲峰值、缓解压强振荡和降低流场温度的目的，即减压、降温。结合三维黏性可压缩Navier-Stokes方程、Mixture多相流模型和相变模型，建立气-液两相流控制方程组，并用燃气射流缩比试验数据验证数学模型和数值方法的有效性，采用计算流体力学数值计算方法分析喷水系统对导弹地下空间发射过程流场环境的影响。研究结果表明：在W形地下空间底部建立喷水系统，可以很好地改善导弹地下热发射过程空间内流场环境特性；喷水系统对初始超压现象有很好地抑制效果，弹底压强振荡由8次减少到4次，压强没有产生剧烈振荡，在1 atm上下缓慢变化，最大压强仅为1.20×10⁵ Pa左右，大大削减了初始超压峰值，并降低了压强振荡的频率和幅值，实现了减压效果；通过液态水剧烈汽化、动量交换等过程，喷水系统强烈而有效地抑制了燃气反溅现象，燃气被约束在筒底位置，导弹底部的最高温度从3 000 K降低到了400 K左右，实现了降温效果。     

导弹垂直发射燃气排导系统流场数值分析

为了深入了解垂直发射装置内流场结构,应用数值计算的方法对导弹垂直发射系统燃气射流流场进行了仿真模拟,并对垂直发射燃气排导系统内压强的分布情况进行分析;结果表明：导弹发射的过程中,起始冲击波在燃气排导系统内具有较高的超压峰值,燃气流的最大压力载荷出现在发射位压力室底部,为垂直发射装置的结构设计优化工作提供重要的理论基础。     

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。     

涡流阀调节特性冷流实验研究

涡流阀方案是实现固体发动机推力调节的一种很有前途的技术途径。文中利用冷流实验系统开展了涡流阀控制流的流量和压强对调节能力和响应特性影响的冷流实验研究。研究结果表明:控制流的压强决定了涡流阀调节压强;提高控制流压强和流量有利于提高涡流阀调节能力和响应性能;在压强变化量一致的情况下,提高控制流压强和流量有利于提高涡流阀响应性能。研究结论可为涡流阀固体变推力发动机的性能分析和设计提供实验支撑。     

固体火箭发动机裂纹流场的数值模拟

固体推进剂表面裂纹在对流燃烧的作用下可能会引起裂纹扩展,即使裂纹不扩展,它也增加燃烧表面积,影响发动机燃烧室流场分布,因此,确定裂纹内的压强变化情况及裂纹内火焰传播情况,无论对于裂纹扩展的研究还是对于发动机整个燃烧室内流场的研究都具有重要的意义.采用NND差分格式,对含裂缝推进剂裂纹内的燃气压强随外界条件的变化情况和裂纹内部火焰传播情况进行了仿真计算,得到了不同增压梯度,不同裂纹尺寸情况下,固体火箭发动机裂纹内流场的分布情况,并分析总结出不同因素对裂纹流场的影响规律.     

H1F涡轮增压器混流涡轮级的CFD研究

利用三维CAD软件Pro/E建立了H1F涡轮增压器混流涡轮级三维流道模型,利用商用CFD软件Numeca对涡轮内流场进行了模拟.控制方程使用Baldwin-Lomax模型,选用S-A湍流模型,计算出了涡轮级的流量和效率特性,并与试验数据进行了对比,同时计算得出了叶轮流场分布.结果表明,混流涡轮有利于发动机脉冲排气能量的利用,所设计的混流涡轮轮缘处流动情况较差.     

高压气体发射装置内弹道特性及膛口流场分析

根据非定常可压缩流动的Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,基于计算流体力学分析软件,采用动网格技术,对弹丸在气室高压气体作用下的运动规律及其流场特性进行了仿真。主要研究了4种不同气室初始气压下膛内平均压力、弹底压力、气室底部压力、弹丸运动参数的变化规律,进一步分析了在气室初压为2.5 MPa下不同时刻马赫数等值线的变化规律。研究结果表明：膛内气流存在振荡现象,气室底部压力、弹底压力变化具有波动性;气室初始气压的大小影响气室底部压力、弹底压力振荡幅度及弹丸出炮口速度;弹丸在管内运动速度及运动时间随距离变化的关系均近似抛物线分布。     

气体与液体两相连续旋转爆轰发动机爆轰波传播特性三维数值模拟研究

为了研究气体与液体两相连续旋转爆轰波的传播特性,基于三维守恒元和求解元方法,在圆柱坐标系下采用带化学反应的气体与液体两相爆轰模型,对连续旋转爆轰发动机进行三维数值模拟。通过计算获得了爆轰波起爆及其稳定传播时的流场结构,分析了流场在燃烧室径向方向的变化以及发动机的推力性能,揭示了两相爆轰波的传播特性。研究结果表明：燃烧室内流场结构与文献\[4\]中的实验研究结果定性一致;由于环形燃烧室外壁面的收敛和内壁面的发散,爆轰强度沿着燃烧室的径向方向逐渐增强,实现了爆轰波的自持旋转传播;以汽油为燃料、富氧空气为氧化剂,在填充总压为0.2 MPa、总温为288.15 K、燃料液滴半径为25 μm的条件下,连续旋转爆轰发动机所获得的平均推力约为880 N,爆轰波的传播频率约为4 390 Hz.     

电控单体泵控制阀开启过程的受力分析

利用试验与仿真相结合的方法,研究分析了柴油机电控单体泵(EUP)燃油系统控制阀开启过程的受力特性。通过测量控制阀开启过程的位移获得了阀芯的受力情况;结合试验测得的进出口压力,利用计算流体动力学（CFD）方法对其流场进行了数值模拟。研究结果表明：阀开启过程末尾控制阀受到的合力方向指向闭阀方向,而燃油流动对阀芯的受力影响主要表现为液动力和静压力,其中液动力作用显著,且二者均阻碍阀打开;控制阀受力分析和结构优化必须充分考虑该区域流场的影响。     

偏导射流伺服阀前置级流场特性研究

建立偏导射流伺服阀前置级流场精确且完整的数学模型,对伺服阀先导级设计和研究有着重要作用。将射流过程分为初次射流、偏导板压力恢复、二次射流、接收口压力恢复4个阶段,在前置级二次射流过程中分别采用不同理论模型来构建前置级流场完整的数学模型,对射流形态的演变过程进行了描述。分析发现,油液射流进入前置级流场与偏导板侧壁发生撞击,流动形态发生改变,一部分油液沿侧壁反向流出偏导板,另一部分油液流速降低在下游形成高压区。油液流出偏导板时受到分流器的作用,分别流入不同通道。根据节流模型流量和压力特性公式求得了压力增益,并建立起负载压力与偏导板偏移量之间的数学关系。数值模拟过程中,采用不同湍流模型对前置级流场压力分布进行了分析。通过数值模拟仿真结果、外特性实验结果与射流模型计算结果的比较和分析,验证了该模型描述射流特性的有效性和合理性。     

点火提前角对天然气转子发动机燃烧过程的影响

以火花点燃式转子发动机为研究对象,建立了相应的湍流和燃烧模型,实现了发动机工作过程的动态模拟。在此基础上,计算得到了转子发动机缸内流场、温度场的演变及火焰传播过程,并计算分析出了不同点火提前角对缸内燃烧过程的影响。计算结果表明：燃烧室内部涡流对火焰传播起着积极的加速作用,点火时火花塞位于涡流区到单向流的过渡区域最好。随着转子运动,涡流会因燃烧室容积减小而受到挤压并消失,在涡流消失时刻一定的情况下,为了充分利用涡流的作用时间,应该适当地增大点火提前角。在计算工况下,当点火提前角为47°时,发动机的燃烧效率和气缸内压力峰值均最高,并且NO_x的排放较少。此研究为其他不同工况下,转子发动机的最佳点火提前角的确定提供了理论参考依据。     

旋转式室温磁制冷回热器二维多孔介质模型仿真

在考虑了主动式回热器（AMR）中单元小格内磁热性工质粒径的不同和位置分布随机性的情况下,建立了室温磁制冷机关键零部件——AMR的二维多孔介质模型,并对系统进行数值模拟计算优化。与实验结果对比表明,该模型的计算温度曲线与实验结果温度曲线具有相同的发展趋势,个别区域存在一定的计算误差,但其在可以接受的范围内。通过分析冷却流体流量、AMR转速以及磁场强度对室温磁制冷机性能的影响,结果表明：当换热流体流量增加时,有助于抵消AMR中残留液体对于性能的影响;转速的增加减少了换热流体与磁工质的换热时间,对于制冷机的性能存在不利影响,但是这一影响在冷却流体流量较大时会变小;增加磁场强度有助于减轻残留液体对于制冷量的影响,系统性能也有明显的提升。在考虑了主动式回热器（AMR）中单元小格内磁热性工质粒径的不同和位置分布随机性的情况下,建立了室温磁制冷机关键零部件——AMR的二维多孔介质模型,并对系统进行数值模拟计算优化。与实验结果对比表明,该模型的计算温度曲线与实验结果温度曲线具有相同的发展趋势,个别区域存在一定的计算误差,但其在可以接受的范围内。通过分析冷却流体流量、AMR转速以及磁场强度对室温磁制冷机性能的影响,结果表明：当换热流体流量增加时,有助于抵消AMR中残留液体对于性能的影响;转速的增加减少了换热流体与磁工质的换热时间,对于制冷机的性能存在不利影响,但是这一影响在冷却流体流量较大时会变小;增加磁场强度有助于减轻残留液体对于制冷量的影响,系统性能也有明显的提升。     

某型运载火箭发射流场数值模拟

为了更真实地反映发动机尾焰流场的特征,以某型运载火箭为例,对其流场数值进行模拟.运用计算流体力学方法,以3维双喷管发动机为模型,考虑尾焰工况为氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气组成的混合气体,对运载火箭的发射流场进行模拟仿真,分析尾焰流的近场激波系结构和参数分布特征等.分析结果表明:混合气体情况下的流场各个参数分布和激波系结构与理论分析结果一致,地面上距离喷管中心1 m位置处受最大压力,大约为0.4 MPa,在两喷管中心温度最高,为2700℃,为后续相关实验测量提供了参考和理论依据.     

液体发射药迫击炮内弹道燃烧稳定性

为研究液体发射药迫击炮内弹道特性,搭建60 mm液体发射药迫击炮瞬态测试系统,对其燃烧室压力变化与迫击炮弹初速进行测试。在试验基础上,基于非定常欧拉-拉格朗日模型和液体发射药蒸发-燃烧模型建立带燃烧反应的液体发射药迫击炮两相流计算模型,对内弹道过程中的反应流场进行模拟,分析复杂气相流场与液体发射药喷射燃烧间的耦合关系及压力振荡形成机理。结果表明：60 mm液体发射药迫击炮燃烧稳定性好,具有工程化潜力;数值模拟与试验结果吻合度较高,且可以复现压力振荡现象,计算模型具有合理性;液体发射药的喷射与燃烧均受燃烧室内气涡的影响;反射波引发的液体发射药集中燃烧使压力表现为一种振荡发展。     

气动阀门发声器内流场的数值仿真

利用CFD软件Fluent建立了一个气动阀门发声器3D模型,模拟了其内流场分布规律。结果表明,气动阀门与谐振管共同作用,会对发声器内流场的速度和压力分布产生很大影响。模拟结果表明,Fluent对气动发声器内流场模拟结果合理,用于气动发声的设计与优化具有良好的前景。