某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场特性

超燃冲压发动机结构简单,推重比大,应用前景广阔.但其流场结构十分复杂,研究超燃冲压发动机三维流场结构具有重要的意义.采用计算流体力学软件对某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场进行数值模拟,先后得到了流场的密度、马赫数、涡量及速度矢量线图.结果表明:喷管内及侧壁面出口处存在膨胀波.各个壁面出口处附近的流场存在羽流激波和剪切层,内喷管出口周围的羽流激波和剪切层呈环状分布在流场周围,上壁面尾部受羽流激波的影响产生一道由压强决定的管内斜激波.内喷管出口及上壁面尾部处也均存在流向涡结构.     

涡扇发动机涡轮后内外流场及壁面温度场数值研究

基于航空发动机红外辐射特性数值仿真的需求,建立涡扇发动机部件的几何模型,利用数值模拟结合实验验证的方法对涡轮后内外流场及壁面温度场进行研究。比较模型与常用模型的计算结果可得出:受发动机部件几何型面及安装特点影响,发动机喷管前的内部流场及壁面温度场都成明显的周期分布。壁面温度分布形态主要受波瓣混合器影响,但加力部件使高温区域面积减小,使壁面温度分布更快进入轴对称状态。加力部件降低了发动机内部的速度分布均匀度;同时也使截面参数分布更均匀。当采用环形混合器时,流向截面上流向涡尺寸大、强度小、温度掺混情况差。     

变推力固体火箭发动机非稳态影响因素研究

为研究不同因素对喉栓式变推力固体火箭发动机非稳态调节特性的影响,利用Fluent软件的网格动态层变模型,对喉栓匀速调节过程中的内流场进行仿真计算,主要分析了喉栓运动速度、喷管主要结构参数以及推进剂压强指数对非稳态特性的影响.结果表明喉栓运动速度以及推进剂压强指数对非稳态调节特性影响最大,喷管收敛半角对非稳态调节特性影响较小,喉栓半径以及喷管扩张角对非稳态调节特性基本没有影响.     

基于体烧蚀模型的后效推力预示方法研究

为了获得固体火箭发动机的高空后效推力,提出了基于气相环境双区体烧蚀模型。考虑粒子侵蚀热效应,将发动机熄火后燃烧室的瞬时压强和温度与绝热层烧蚀放气量进行耦合迭代的后效推力预示方法。根据某固体火箭发动机燃烧室绝热层的结构布局和工作参数,计算得到绝热层的碳化烧蚀率、烧蚀质量损失速率、温度场分布、炭化层孔隙结构和发动机高空后效推力,后效推力曲线与发动机遥测数据包线上限吻合,验证了预示方法的可行性。     

基于体烧蚀模型的后效推力预示方法

为了获得固体火箭发动机的高空后效推力,提出了基于气相环境双区体烧蚀模型。考虑粒子侵蚀热效应,将发动机熄火后燃烧室的瞬时压强和温度与绝热层烧蚀放气量进行耦合迭代的后效推力预示方法。根据某固体火箭发动机燃烧室绝热层的结构布局和工作参数,计算得到绝热层的碳化烧蚀率、烧蚀质量损失速率、温度场分布、炭化层孔隙结构和发动机高空后效推力,后效推力曲线与发动机遥测数据包线上限吻合,验证了预示方法的可行性。     

冲压发动机C/SiC喷管承压失效研究

新型三维编织碳/碳化硅复合材料存在较强的各向异性,而各个方向的性能数据积累不足,复合材料的强度计算方法尚不完善,为了发现新型三维编织碳/碳化硅复合材料在冲压发动机喷管中应用可能遇到的问题,并找到相应地解决措施,开展了这种复合材料应用于冲压发动机喷管的承压强度计算和承压实验研究。对承压实验中出现的低压破坏情况进行了分析,分析了低压破裂的原因,提出了改进措施。分析结果表明:C/SiC喷管喉部密度较低,导致强度较低,承载能力下降,是首次强度验证实验过程中该局部破坏的原因；为提高喷管强度,需要通过其形状设计并控制沉积流场,保证其喉部的沉积密度达到1.9g/cm³以上。对改进后的喷管进行了实验验证,实验结果与计算结果基本一致,满足要求。因此,在实际应用中应对喷管喉部和纵向密度的分布进行工业CT无损检测,确保喷管密度的分布均匀。      

梯度功能材料的传热与烧蚀计算

以热化学烧蚀二方程模型为基础,用烧蚀与传热耦合计算的方法,研究了梯度功能材料的烧蚀及热防护机理。以新研制的C／C／Al2O3碳陶梯度功能材料为研究对象,对此类材料的烧蚀率计算公式进行了推导。并将计算结果与试验结果进行比较,两者符合良好,进而分析了材料组分的梯度分布对于烧蚀边界条件下试件内部温度场分布的影响。     

考虑炭化绝热材料膨胀现象的体烧蚀模型

针对炭化层厚度大于绝热材料损耗厚度的实验现象,建立了考虑膨胀现象的双区体烧蚀模型。认为膨胀是在热解过程中产生的,且炭化层的生成速率是基体推移速率的2倍。在每一个时间步长根据当地温度与绝热材料热解温度的关系判断炭化层与基体的交界面位置,进行网格重新划分及数据交换耦合计算。结果表明,利用双区体烧蚀模型计算得到的烧蚀率和炭化层孔隙结构与烧蚀实验发动机实验结果相吻合,证明了文中模型能够基本反映EPDM类绝热材料的烧蚀特性。     

基于FEM及KIVA的内燃机耦合部件传热建模

为了更为准确地对内燃机耦合部件三维燃烧过程进行模拟,开发了一种内燃机燃烧室耦合部件三维传热有限元法（FEM）计算程序.建立了内燃机气-固传热模型;通过将该模型应用于KIVA程序,可获取用于有限元计算的燃烧室壁面的三维瞬态燃气温度分布及对流换热系数分布.以汽油机LJ377MV为例,计算了内燃机耦合部件的稳态温度场及瞬态温度场,结果表明：壁面附近瞬态温度边界条件的不均匀性对内燃机耦合部件稳态温度分布及瞬态温度波动有着重要影响.     

某发动机喷管内流动与换热的瞬态模拟

为准确预测发动机喷管内部的流动及传热特性,以Navier-Stokes方程、重整化群(RNG)k-ε湍流模型为基础,借助计算流体力学软件Fluent对喷管内流场及温度场进行了瞬态数值模拟。计算结果表明:发动机燃烧初期,喷管内燃气呈亚音速状态流动,喷管整体温度还比较低;随着时间的推移,喷管内开始出现激波,燃气的速度突然降低,温度突然上升,由于激波的影响,气流在激波下游形成低速高温区域;随着燃气的膨胀,激波逐渐移出喷管,喷管内燃气呈超音速状态流动,喷管整体温度较高。研究结果可为喷管的设计及优化提供一定的参考。     

亚临界CO2在缩放喷管中降压膨胀的数值模拟

忽略两相间的滑移速度,采用Fluent中的混合模型对亚临界CO2过冷液体进入缩放喷管降压膨胀产生气泡的两相流动过程进行了二维数值模拟.其中,气液两相间单位体积内的质量传递率采用空化模型理论进行计算.计算工况如下:喷管液体CO2进口压力为61MPa,温度为29315K,喷管出口为两相状态.计算结果显示,CO2工质流经喉部时,压力急剧降低,相间的质量传递率达到最大值,CO2工质发生相变;工质进入扩散段后,随着压力降低,气体份额不断增大,喷管出口压力为165MPa时,气体体积份额约为093.数值模拟值与实验值对比结果为,计算压力与实测压力值最大误差不超过101%,计算温度与实测温度值最大误差不超过19%.数值模拟揭示了亚临界CO2在喷管中的气液两相膨胀过程.     

基于热化学轴对称烧蚀的仿真

基于烧蚀理论与计算机语言设计了固体火箭喷管烧蚀软件的主程序及系统框架.火箭喷管烧蚀是在高温高压冲刷氧化气流作用下发生的,利用极端环境下的热化学烧蚀模型,通过Fortran编程对喷管内热流场及烧蚀进行数值计算,并结合Matlab与VC++自身的特点,采用混合编程技术实现火箭烧蚀软件的前后处理.由算例可知,该软件能够对喷管烧蚀进行仿真,并能够脱离编译环境在Windows平台上使用,使初始参数输入界面化,数值解图形化.     

ADN基液体推进剂空间发动机工作过程模拟

二硝酰胺铵(ADN)基液体推进剂是一种绿色环保的新型推进剂,可在小型空间推进系统中使用。该文通过数值模拟对ADN基液体推进剂空间发动机的工作过程进行热流仿真。使用Euler-Lagrange方法描述推进剂的蒸发过程,使用多孔介质局部非平衡模型描述催化床内的传热过程,同时考虑气、液、固三相之间的耦合。使用包含18组分40步反应的ADN-CH3OH简化反应机理来模拟气相物质的燃烧反应。数值计算所得发动机的宏观运行参数与实验值相符。结果表明:多孔介质会将催化床下游和燃烧室内反应所释放热量传导到催化床上游,强化推进剂的蒸发过程。在发动机内部,ADN与CH3OH的反应并不同步。ADN的热解反应发生在入口附近,而CH3OH的氧化反应发生在催化床中下游和燃烧室中。     

导轨式电磁发射装置电枢熔化波有限元计算

针对单元烧蚀算法精度较低的问题,基于导轨式电磁发射装置的二维控制方程,推导出采用求解量移动法处理运动问题的伽辽金有限元离散方程,建立了电磁-温度-运动耦合场有限元计算模型。以单元节点为烧蚀判断对象,采用节点烧蚀算法处理电枢材料烧蚀问题,建立了电枢熔化波模型,对运动电枢的烧蚀速度进行了数值计算。模型的计算结果表明:在激励电磁感应强度为40T、电枢运动速度为150m/s的情况下,采用节点烧蚀法得到的熔化波烧蚀速度为Barber理论模型计算值的94%,而相关文献采用单元烧蚀法的计算值为Barber理论模型计算值的73%。因此,与采用单元烧蚀法相比,采用节点烧蚀法的计算值与Parks和Barber两个经典理论模型的计算值更加相近,验证了该方法的正确性。     

推力矢量喷管设计与气动特性分析研究

二元矢量喷管结构简单,隐身特性好,在多种隐身飞机上得到了应用。本文发展了一种“圆转方”二元喷管型面设计方法,基于此方法设计了二元喷管和两型矢量喷管,一型通过二元喷管壁面几何偏转实现,另一型由塞式中心体偏转实现。数值模拟了“圆转方”喷管以及这两型矢量喷管的内外流场,对其推力系数、流量系数、有效推力矢量角等性能参数进行了计算和分析对比,给出了对二元矢量喷管设计具有参考价值的推力矢量角的影响因素及其影响规律。     

基体改性对碳/碳复合材料烧蚀率影响的神经网络模拟

将人工神经网络的典型模型－－误差后传播（BP）算法用于改性的碳／碳复合材料氧化烧蚀率的研究，建立了碳／碳复合材料改性添加剂组成－氧化烧蚀率BP网络模型。研究结果表明，所建模型较好地反映了添加剂含量与试样氧化烧蚀率间的内在规律，预测的氧化烧蚀率与实验值间的误差小于0．32％。将模型筛选出的最优添加剂配方用于基体改性，试样的氧化烧蚀率下降49．3％，说明将人工神经网络用于基体改性是可行和有效的。     

预测气液两相分层流界面剪切应力的新方法

针对水平管气液两相分层流界面剪切应力的预测,建立了基于计算流体力学（CFD）方法的剪切滑移壁面模 型,即将气液界面处理为固定的具有均匀剪切应力的水平滑移壁面。利用FLUENT 软件模拟了气相流动,气液界面采 用剪切滑移壁面边界条件,通过对比实验测量的气相流场分布得到气速和界面剪切收敛值,并由收敛值拟合得到界 面摩擦因子与气相雷诺数的关联式。应用这一关联式的预测结果与实验间接测量值吻合较好,并且在气、液相雷诺 数9 4006ReG650 000 和21 0006ReL630 000 范围内优于Taitel 和Dukler 与Sidi-Ali 和Gatignol 模型。表明剪切滑移壁 面模型可以有效地控制关键参数,提高预测效率和精度,为CFD 方法预测气液两相分层流界面剪切应力提供了新的 思路。     

背景气压对纳秒脉冲激光烧蚀半导体Ge的影响

为了深入理解在纳秒激光烧蚀半导体材料过程中背景气压对烧蚀过程以及羽流膨胀动力学特性的影响,本文利用一维激光烧蚀和流体动力学耦合模型,对不同He气压下的纳秒脉冲激光烧蚀半导体Ge的过程进行了模拟计算.结果表明：在氦气环境下,背景气压的变化对辐照在靶面的激光能量影响较小,因此靶面蒸发率、靶面温度和靶面烧蚀深度对气压变化的敏感程度较低;同时,背景气压的增大抑制了羽流膨胀,使羽流膨胀速度减小.计算结果和分析对于优化纳秒激光烧蚀半导体时背景环境气压具有理论指导意义.     

固体火箭发动机撞击点火数值模拟计算

装填高能复合推进剂的固体发动机,在跌落和撞击等情况下可能发生燃烧或爆炸. 为了对发动机低速撞击下的安全性进行评价,建立了发动机撞击靶板点火计算模型,采用热力耦合算法实现机械能和热能之间的转化,采用Arrhenius方程描述推进剂自热反应过程. 对直径为200 mm和480 mm发动机撞击靶板过程进行数值模拟计算,获得了与火箭橇实验结果一致的速度阈值范围. 结果表明计算模型能较好描述发动机撞击点火过程. 计算结果表明,装药量大的发动机撞击后更容易发生点火,发动机撞击点火速度阈值与装药量的对数成线性关系.     

考虑沉积反应的绝热层多孔介质体烧蚀模型

基于炭化层结构是存在致密层的非均匀多孔结构这一试验现象,建立了考虑沉积反应的多孔介质体烧蚀模型。重点突出了导致致密层形成的沉积反应的计算方法,以及和氧化反应共同作用对孔隙结构的影响,和对烧蚀率的影响。对烧蚀发动机三元乙丙绝热层烧蚀试验开展了数值计算验证,烧蚀率和孔隙结构分布均吻合较好。