清代道光初年的安东改河建议

清代嘉庆朝,黄河开始倒灌洪泽湖,黄河下游也淤积不畅,导致运河航行受阻。道光帝即位后,不断加大对于黄运湖河的治理投入,但不成功。治河官员之间观点不同,又时常推卸责任,在河道治理上矛盾重重。安东改河建议的实施过程就反映了这些矛盾。

温度敏感凝胶推进剂中气泡运动特性研究

凝胶推进剂是一种具有剪切变稀特性的非牛顿流体,其流变性质还会受到温度的影响.在凝胶推进剂制造和装填过程中,极易出现气体混入的情况,这会直接影响发动机的工作性能.为了探究气泡在凝胶推进剂中的运动特性,文章采用流体体积法(VOF)模拟研究了静止凝胶中单气泡在浮力作用下的上升过程,其中凝胶的黏性以改进的Carreau-Yasuda模型描述,通过连续表面力(CSF)模型计算凝胶的表面张力.通过改变凝胶中温度、流变指数、特征时间和表面张力等参数,观察非牛顿流体中黏度和剪切速率的变化,进而得到其对气泡的纵横比、重心位置和速度的影响.并探讨了不同温度下,流变指数与特征时间两种参数对气泡运动的影响.研究结果表明,凝胶的高黏性会阻碍气泡的运动并限制气泡的形变,导致气泡的形变不显著;温度的升高会降低凝胶的黏度,从而显著影响气泡的运动轨迹和形态,使得气泡上升速度增加并增加其变形;流变指数和特征时间会通过改变液体性质进而对气泡的速度和纵横比产生影响;此外,表面张力的变化会对气泡底部的变形产生较大影响.

高氯酸铵/铝粉/端羟基聚丁二烯推进剂催化燃烧模型研究

在自由基裂解模型和引入高氯酸铵(AP)和铝粉(Al)影响因子的基础上,讨论了催化剂对AP/Al/端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂热分解的影响,采用假说和因子归纳的方法得到了催化影响因子,结合一定数量燃速数据分析和计算机图形学拟合的方法建立了AP/Al/HTPB推进剂催化燃烧模型,该模型可从推进剂化学结构参数出发,定量计算AP/Al/HTPB推进剂的燃速和压强指数。计算结果表明:在一定条件范围内,燃速的理论预测与实验结果吻合较好,误差一般在7%以内,验证了催化燃烧模型在AP/Al/HTPB推进剂应用的可行性,对推进剂配方研制具有一定的指导意义。

固体推进剂专家系统总体研究

针对固体推进剂研制手段多以实验为主、分析软件智能化程度不高的状况,该文提出了基于配方组元数据库的固体推进剂专家系统。该系统采用最小自由能数学模型,自由基裂解燃烧模型和中间相力学模型,通过理论预示给出初步的配方设计方案参数,再结合BP神经网络抽取出配方组成、结构和性能间协同效应规律的非线性信息,实现固体推进剂的配方优化。最后,给出了固体推进剂专家系统的总体设计,阐述了各模块的功能作用。简单应用示例说明固体推进剂专家系统具有较好的实用性和可信度。

细粒度AP的改性双基推进剂燃速预示模型

在一维气相稳态反应流模型的基础上,讨论了细粒度AP对改性双基(CMDB)推进剂燃速的影响,引入工艺粒度d*s,修正了AP对燃烧表面结构影响因子fAP和分解影响因子gAP,建立了适用于细粒度AP的CMDB推进剂燃速预示模型,该模型可从推进剂化学结构参数出发,定量计算AP-Al-CMDB推进剂的燃速。结果表明:在压强9.8～19.6MPa条件下,不同AP粒度和含量下的燃速计算结果和实验结果吻合较好,大部分误差在5.0%,检验了模型的可靠性,对推进剂配方研制具有较好的指导意义。

基于一维气相稳态反应流的燃速预估软件研究

在一维气相稳态反应流模型的基础上,总结了适用于双基推进剂、改性双基推进剂、复合固体推进剂燃速预估的修正因子,拓宽了燃烧理论模型的适用范围。采用Visual C++和Microsoft Access为开发工具,完成了基于组分化学键结构参数的固体推进剂燃速预估软件(SPRS)编制。该软件基于Windows XP系统,界面友好,使用方便,具有数据更新和信息查询功能。用户不仅能根据推进剂的化学组成(配方)和给定压强计算燃速、压力指数等参数,还可根据给定的燃速和压力指数等调整推进剂配方组成,对缩短固体推进剂研制周期和节约研制成本具有重要意义。

基于能量特性配方设计专家系统的开发与实现

介绍了用于固体推进剂能量特性配方设计的专家系统(SPES)。SPES构造包括了专家知识库、知识查询与获取、性能分析、配方设计、推理机、用户界面及帮助等模块。SPES采用最小自由能数学模型,具有推进剂性能参数预示、数据保密、最大比冲或给定比冲下的配方设计等功能。该系统基于Windows'XP系统,操作简便,可考虑几百种燃气组分,计算参数与实际参数之间的误差可减少到2%之内,一般可达到1%左右,对于固体推进剂及相应固体火箭的研制具有十分重要的应用意义。

基于喷管结构参数公差的纵向距离散布

比冲是评价固体火箭发动机能量特性的综合因子,其与固体推进剂配方组成及发动机设计参数有关,对射程具有较大的影响。该文结合某远程TG-300发动机结构参数,针对喷管喉径、扩张半角和膨胀比的制造公差,研究了这些参数对比冲散布及纵向距离散布的影响。结果表明,喷管喉径制造公差对比冲的影响相对较大,扩张半角次之,膨胀比的制造公差对比冲影响较小;这些公差应当在加工过程中合理控制。该文所得结果可对固体火箭发动机结构设计提供参考依据。

压力条件对旋转爆震发动机的影响

为进一步研究旋转爆震发动机的性能,采用9组分19步基元反应模型,忽略黏性、热传导和扩散等输运效应,对以2H2+O2+7N2为反应混合物的旋转爆震发动机进行二维模拟,研究入口总压p0和外界反压pb对发动机性能的影响.研究表明,爆震波压力、温度、高度以及出口平面参数(压力、温度、速度)主要受入口总压条件的影响;发动机比冲与压力比(外界反压与入口总压的比值)成反比.

基于PIV的凝胶模拟液撞击雾化速度场实验研究

为了更好研究凝胶推进剂的雾化,采用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV),研究了不同撞击角度(45°,60°,75°,90°和120°)和射流压差(0.4MPa^0.8MPa)对凝胶推进剂雾化速度的影响。实验结果表明:雾化液滴速度对于撞击轴线呈单峰对称分布,距离撞击点越远,雾化液滴速度越小且分布越均匀;增大撞击角和增大射流压差都可提高凝胶推进剂有效撞击速度,即增加撞击后液体动能转换液体破碎所需的能量,雾化质量提高;当有效撞击速度大于27.9m/s时,实验室配置的凝胶推进剂可充分雾化。

超声速流动中底部排气减阻的数值研究

为了研究超声速流动中底部排气减阻特性,采用高精度的AUSMPW+迎风格式、k-ωSST湍流模型、8组分12反应化学动力学模型、二阶矩湍流燃烧模型耦合求解三维带化学反应的Navier-Stokes方程。在数值方法的有效性和可靠性经过验证后,对超声速流动底部排真实气体流场进行了数值模拟。计算结果表明:随着排气参数的增大,底压比将先增大后减小,然后再增大;当排气参数较小时,底压比基本不随排气面积的改变而改变。当排气参数较大时,底压比随着排气面积的增大而增大;在最佳排气减阻区内,提高排气总温对提高底压比是有利的;底部排气中富燃气体含量越高,则二次燃烧越强,有利于提高底压比。研究结果可为底部排气弹工程应用提供参考。

聚乙烯在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的数值研究

为准确模拟聚乙烯在固体燃料冲压发动机中的燃烧状态,估算了乙烯-空气两步反应中,相关组分的粘性、导热系数随温度的变化,并进行多项式拟合;同时使用UDF进行质量、动量、能量添加。数值计算的结果表明:燃面退移速率的计算误差不超过11.3%,其变化规律与已有实验相同;补燃室温度的误差不大于5.2%;补燃室温度随来流空气质量流率的增大而减小;高来流空气总温或低来流空气质量流率的工况下,燃料充分燃烧所需的补燃室更长;几何相似,其它条件相同时,小尺寸发动机内流场传向燃料表面的热流密度更大,燃面退移速率更高。

凝胶推进剂供给管流的压降数值研究

为了探索凝胶推进剂输送数值研究的方法及可行性,在凝胶推进剂直圆管和突变截面管道流动实验的基础上,采用Power-Law与Carreau两种本构模型,建立了非牛顿流体的二维不可压缩稳态流动的求解方法,通过交错网格进行离散求解,开展了基于SIMPLE算法的凝胶推进剂供给管流的压降数值仿真,分析了壁面滑移修正及触变性对管流压降的影响。结果表明:模拟液直圆管流的截面轴向速度的数值解同解析解的误差小于2%;考虑壁面滑移修正的管流压力损失与实验值一致性较好;触变性对突变截面管道流动的局部压降有显著的影响,这对于进一步优化供给管路及喷注器设计具有一定的理论指导意义。

旋转爆轰发动机工作过程的数值模拟

为了深入研究旋转爆轰发动机工作过程,采用高精度高分辨率迎风通量分裂格式(AUSMPW+)、氢氧7组分8反应化学动力学模型,求解三维带化学反应的Euler方程。对旋转爆轰发动机工作过程进行了数值模拟,分析了采用预爆轰管点火过程的流场特征以及整个发动机推力、推力偏心距、侧向力随时间的变化规律。计算结果表明:切向预爆轰管紧贴喷注入口时,点火过程仅产生一道单向爆轰波,能成功点燃旋转爆轰发动机;在本文给定的计算条件下,旋转爆轰发动机平均推力约180N,旋转爆轰波传播频率约为14285Hz;旋转发动机正常工作过程中,推力偏心矩、侧向力随时间周期性变化。

底部排气弹三维湍流燃烧的数值模拟

为了研究底部排气减阻机理,发展了一套多块结构网格三维湍流流动与燃烧的计算软件(MSTCS-3D)。计算软件采用3阶MUSCL重构方法并耦合Steger-warming通量分裂技术,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,湍流流动模型采用k-ωSST模型,化学反应动力学模型采用CO-H2-O2反应系统8组分12步基元反应模型,湍流燃烧模型采用二阶矩模型。采用该计算软件,分析了底部排热空气/真实气体、来流马赫数对底部排气弹底部流场结构的影响以及对减阻特性的影响。计算结果表明,底排真实气体和底排热空气数值模拟结果差别较大;底部二次燃烧主要发生在弹底的二次回流区;来流马赫数越大,初始回流区后退距离更大,同时减阻效果也越好;编制的计算软件具有较高可靠性,可作为深入分析底部排气减阻机理的工具。

超声速底部排气弹底部流场与气动特性研究

为了研究超声速底部排气弹气动特性,采用AUSMPW+迎风格式、k-ωSST湍流模型、8组分12反应化学动力学模型和二阶矩湍流燃烧模型耦合求解三维带化学反应的Navier-Stokes方程。在数值方法的有效性和可靠性得到验证的基础上,对超声速底部排气弹底排真实气体流场进行了数值模拟,分析了攻角和船尾角对底部排气弹的底部流场结构和气动特性的影响规律。计算结果表明:攻角对底部流场结构影响较大。随着攻角的增大,迎风面和背风面的初始回流区体积逐渐减小,且迎风面的初始回流区体积始终小于背风区;随着攻角的增大,底部阻力系数、总阻力系数等气动系数均增大;不同工况下存在着相应的最佳船尾角。船尾角的改变会引起底部流场结构的变化,同时影响着富燃气体的二次燃烧区域与强度。有底部排气时对应的最佳船尾角比无底部排气时的最佳船尾角小。

幂律型煤油凝胶在不同几何构型管道的流动特性数值研究

为了优化煤油凝胶供给管道和锥形喷注器设计,构建出幂律流体的二维/三维稳态层流的求解方法,采用基于FLUENT平台的SIMPLE算法进行求解,开展煤油凝胶的流动特性数值研究。推导出了推进剂在直圆管中各参数的解析解以及层流的动能修正系数。研究结果表明:直圆管的柱塞流区域在管径不变时是固定的;为降低喷注器出口截面的平均表观粘度,需减小出口段长度;喷注器的收缩角选择在40°左右是较为合理的;弯管内存在双涡旋形式的二次流,且剪切速率和表观粘度的非对称性比速度的非对称性显著。

药柱燃速对底排工作过程及底排弹射程影响的数值模拟

为了研究底排药柱燃速对底部排气弹底排装置工作过程和射程的影响,采用计算空气动力学和质点外弹道学耦合的方法求解底部排气弹的飞行弹道,研究了底部排气弹在整个减阻阶段底排装置工作参数、工作状态、底排流场等随时间的变化,分析了药柱燃速对底部排气弹工作过程和射程影响。结果表明:数值模拟结果与制式底部排气弹靶场试验结果吻合,说明建立的计算模型合理;燃速调整系数由0.8提高到1.2时,燃烧时间由36.8 s减少到18.4 s,射程由38.12 km下降到36.21 km,增程率由33.32%下降到26.64%;不同底排药柱燃速的底部排气弹在减阻阶段的排气参数均随时间的增加而呈先增大后减小的趋势;采用高燃速底排药柱的底部排气弹排气质量流率相对于低燃速的底部排气弹较大,但减阻效果并没有明显提高。

基于壁面滑移修正的凝胶推进剂流变本构方程

为了调研壁面滑移现象对凝胶推进剂管道流动的影响,对凝胶推进剂及3种模拟液在直圆管中的流动进行了研究。对直圆管流动实验采集的流动数据进行壁面滑移修正,得到了壁面滑移速度公式。构建了考虑壁面滑移修正的幂律本构方程,计算出考虑滑移速度的沿程阻力系数和广义雷诺数及二者的关系。采用PIV实验并结合数值仿真,得到管道输送过程中的真实内流场速度分布以及壁面有滑移和无滑移的速度剖面图。研究表明:经过壁面滑移修正可见推进剂及模拟液幂律本构方程是唯一的;通过沿程阻力系数的计算和管道内流场PIV实验两方面验证了所用修正方法和所建流变本构方程的正确性和适用性。

时间与温度依赖的RP-1煤油凝胶本构方程建模

根据凝胶特殊的固-液形态,研究了无机和有机凝胶剂与RP-1煤油的成胶机理,通过Brookfield流变仪测量流变参数,并构建出煤油凝胶的非时间依赖、时间依赖和温度依赖的本构方程。结果表明:加入无水乙醇有利于凝胶剂A(一种干性油衍生物)对煤油的凝胶化;无机煤油凝胶的稠度系数k和凝胶剂含量Y_(amout)具有幂律函数关系;由于幂律指数n为负,制备的煤油凝胶比典型的剪切变稀流体(0<n<1)的稀化能力更强;无机和有机煤油凝胶的复凝性很弱且不受凝胶剂含量和类型的影响;随剪切速率的增大,凝胶从完整结构到完全破坏结构状态所需的时间缩短,中间过程曲线的振幅减小;随温度的增加,无机煤油凝胶的粘度先减小后增大,有机煤油凝胶的粘度逐渐减小并在90℃接近煤油的粘度。