全球最大推力、首型全固体捆绑式运载火箭成功首飞

2024年1月11日,全球起飞推力最大的固体运载火箭、中国乃至世界首型全固体捆绑(固体芯级+固体助推动力)运载火箭(表1)——“引力一号”在山东海阳附近海域顺利升空,成功将云遥一号第18~20号卫星送入预定轨道(图1)。此次“引力以一号”火箭首飞成功,全面检验并考核了捆绑式运载火箭构型下固体发动机的强适应、高可靠和易用性,对进一步扩充我国中低轨卫星多样化、规模化发射能力和拓展我国运载火箭型谱、推动空间科学发展具有重大意义,标志着固体动力在宇航和商业航天运载领域的应用拓展取得了新的突破。

喷管斜置对固体发动机燃烧室熔渣沉积影响数值分析

采用Euler-Lagrangian方法描述固体火箭发动机三维两相流动,数值分析了某大型发动机中喷管斜置对熔渣沉积的影响。计算结果表明,喷管斜置会减轻燃烧室后封头反向区域的气相回流,减少后封头反向壁面的小颗粒沉积量,与之对应的,会增加后封头同侧壁面的小颗粒沉积量。与直喷管发动机相比,喷管斜置会引起大量的凝相颗粒在喷管收敛段壁面沉积,颗粒速度分布离散度更大,高速凝相颗粒撞击壁面显然会在一定程度上加剧喷管收敛段绝热层冲刷烧蚀情况。

对称电极组空间位阻效应交流电渗流研究

建立了一种对称电极组交流电渗流微泵结构,通过改变相邻电极间的AC信号相位,可以方便地实现对微通道流向的控制。根据双电层离子数的空间位阻效应修正,数值求解了双电层Poisson-Boltzmann方程和液体流动Navier-Stokes方程,得到了对称电极组交流电渗微泵的流动特性。分析了微泵流速与交流电压幅值、频率等参数的关系特性,并与双电层Debye-Hückel线性解进行比较。结果表明,空间位阻效应修正在低电压时与Debye-Hückel线性解一致,但是在高电压时会产生高频反向流。

微纳米通道电场调控电渗流研究及控制

在通道壁面垂直施加一个调控电场可以改变双电层电荷密度和Zeta电位势,实现对电渗流的调控。采用离子输运Nernst-Planck方程、液体流动Navier-Stokes方程、以及介电层-电解液耦合双电层Poisson方程,数值求解外加均匀调控电压下微纳米通道的电渗流动,得到表面Zeta电位势、电渗流速度与外加调控电压的关系特性。数值解与基于Poisson-Boltzmann方程双电层弱重叠近似和双电容串联模型的解析解相对比,进一步研究了控制外加调控电压以及控制电渗流的方法。

异质材料微流体通道电渗流热效应

本文对玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作的微流控芯片电渗流焦耳热效应进行数值研究。采用双电层的Poisson-Boltzmann方程,液体运动的Navier-Stokes方程和液-固耦合系统的热传导方程研究二维微通道电渗流的温度特性。研究发现:由于材料属性的差别,温度场和速度场在微通道断面存在不均匀性。微通道表面的温升会降低双电层的电荷密度。热效应会对电渗流速度场产生影响,并诱导压强梯度和改变外电场在微通道的变化特征。

异质材料有限长微通道电渗流热效应

采用数值方法,分析有限长PDMS/玻璃微通道电渗流热效应.数值求解双电层的Poisson-Boltzm ann方程,液体流动的Navier-Stokes方程和流-固耦合的热输运方程,分析二维微通道电渗流的温度特性.考虑温度变化对流体特性(介电系数、粘度、热和电传导率)的反馈效应.数值结果表明,在通道进口附近有一段热发展长度,这里的流动速度、温度、压强和电场快速变化,然后趋向到一个稳定状态.在高电场和厚芯片的情况下,热发展长度可以占据相当一部分的微通道.电渗流稳定态温度随外加电场和芯片厚度的增加而升高.由于壁面材料的热特性差异,在稳定态时的PDMS壁面温度比玻璃壁面温度高.研究还发现在微通道的纵向和横向截面有温度变化.壁面温升降低双电层电荷密度.微通道纵向温度变化诱发流体压强梯度和改变微通道电场特性.微通道进流温度不改变热稳定态的温度和热发展长度.

微流体温度控制器的数值模拟与特性分析

为了满足微电子封装过程对器件温度变化的精确控制,提出一种快速升降温的微型流体温度控制器,并采用流体力学软件FLUENT对温度控制器的液体—固体—空气一体化的流动—热传导过程进行数值模拟。在给定进口液体温度变化特征的情况下,通过数值分析考察控制器表面温度对进口液体温度变化的响应特性,包括时间跟随性(传热灵敏度)和温度变化振幅的衰减率(传热效率)。考察了控制器结构尺度、进口液体速度、温度变化波形、周期等参数对温度控制器的特性影响。结果表明:控制器厚度增加,控制器表面温度变化幅值衰减增大;控制器进口流速大,控制器表面温度变化幅值衰减率小;进口液体温度变化周期短,传感器表面温度变化幅值衰减增大;进口温度变化方形波的传热效率大于三角波形;传感器表面温度变化周期与进口温度周期相同,但存在相位差。

微通道周期流动电位势及电粘性效应

求解了双电层的Poisson-Boltzmann方程和流体运动的Navier-Stokes方程,得到在周期压差作用下,二维微通道的周期流动电位势,流动诱导电场和液体流动速度的解析解.量纲分析表明,流体电粘性力与以下3个参数有关:1)电粘性数,它表示定常流动时,通道最大电粘性力与压力梯度的比;2)形状函数,它表示电粘性力在通道横截面的分布形态;3)耦合系数,它表示电粘性力的振幅衰减特征和相位差.分析结果表明,微通道周期流动诱导电场、流动速度与频率Reynolds数有关.在频率Reynolds数小于1时,流动诱导电场随频率Reynolds数变化很慢.在频率Reynolds数大于1时,流动诱导电场随频率Reynolds数的增加快速衰减.在通道宽度与双电层厚度比值较小情况下,电粘性效应对周期流动速度和流动诱导电场有重要影响.

大型分段式固体火箭发动机点火瞬态过程研究

通过建立固体火箭发动机点火瞬态数学模型,对某大型分段式固体火箭发动机工作初期小火箭式点火装置的火焰喷射方式、分段对接部位火焰传播过程以及前后翼燃面的传播过程等进行数值计算研究。计算结果表明,发动机点火过程中,燃烧室内的流动顺畅,没有出现压强异常振荡现象,点火初期的火焰冲击对分段对接部位的绝热结构影响很小,但整个后翼槽药面全部点燃用时在整个火焰传播期用时占比过大。数值计算结果与全尺寸发动机地面热试车结果对比表明,数值计算点火平衡压强、压强爬升时间以及升压速率与地面热试车结果吻合性好。

亚微米/纳米通道电渗流及控制

通过联立分析双电层泊松-玻兹曼方程、液体流动纳维-斯托克斯方程,以及外加基电压-通道-液体耦合系统电场方程,获得了外加基电压调控下的亚微米/纳米通道电渗流的解析解.分析了固-液界面Zeta电位随外加基电压的响应,得到电渗流速度与外加基电压的关系特性.进一步研究了控制外加基电压以控制电渗流的方法,实时调控电渗流以满足增大输送的溶液流量、反向流动、多溶液混合等输送要求.

非对称电极交流电渗微泵流体驱动研究

通过非对称电极等效电路的理论模型获得了交流电渗流微泵的流速计算公式;分析结果和数值仿真具有较好的一致性,从而验证了该模型的正确性。等效电路的理论模型为非对称电极交流电渗流微泵的研究提供了有效的理论分析方法。

调控双电层电渗流数值研究

在通道壁面垂直施加一个调控电场可以改变双电层电荷密度和Zeta电位势,实现对电渗流的调控。采用电场Poisson方程、动量守恒的Navier-Stokes方程、电解质离子输运的Nernst-Planck方程和液体混合反应的组分浓度输运方程,本文对微通道壁面离散布置调控电极的情况进行了数值分析。数值算例包括单电极、双电极和三电极。研究结果表明:适当放置离散电极对电渗流进行调控,可以在流场中产生微型涡流实现液体的有效混合。

核电厂阀门限位开关鉴定试验方法研究

为了实现核电阀门限位开关的可靠鉴定,研究了一种针对核电厂阀门限位开关的鉴定试验方法。分析了基准试验、极限工况下试验、评价设备性能随时间变化的试验、抗震试验和严重事故试验阶段的鉴定实施方法。该方法包括不同阶段和不同工况下的试验要求,能够确保核电阀门限位开关在各种工况和时间变化下的稳定性和可靠性。该研究可为核电行业提供更安全可靠的设备,也为核电厂K1级相关仪控设备的鉴定试验提供指导和参考。同时,该研究对核电领域的安全运行和设备可靠性研究具有重要推进作用。

行波电渗流微泵的数值模拟和微泵流量影响参数研究

采用耦合的Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程和Navier-Stokes(NS)方程,研究二维狭窄微通道行波电场电渗流数值解。将计算结果与普遍采用的滑移边界近似解进行了比较。结果表明:在边界滑移模型适用的范围内,两种算法具有较好的一致性,从而验证了耦合PNP方程算法的正确性;当双电层厚度较大、行波信号幅值较大时,采用耦合PNP方程更为合理。

三维交流电渗流泵的流量增强效果

在交流电渗流(ACEO)泵的研究中,一般忽略电极厚度的影响;而三维交流电渗流泵通过将电极厚度设计成台阶形式后,可以大大提高电渗流泵的流量。数值研究了电极台阶高度对三维交流电渗流泵流量的影响。研究发现:在驱动电压幅值不变的条件下,随着台阶高度的增加,三维交流电渗流泵流量也会增大;而当台阶高度增加到一定程度后,流量又会随着台阶高度的增加而减小。因此,在三维交流电渗流泵的设计制造中,需要优化电极的台阶高度,选择合适的台阶高度可以极大地提高电渗流泵的流量。通过和传统交流电渗流泵的比较,还研究了三维交流电渗流泵对流量的增强效果。结果表明:在相同模型尺寸参数下,优化台阶高度后的三维交流电渗流泵能极大提高流量。

非线性及粒子空间效应对交流电渗流泵的影响

在交流电渗流(ACEO)泵的研究中,一般采用Debye-Huckel(D-H)线性近似法。但该方法只在电压很小时才成立,这和实际情况不符;此外,交流电渗流泵在大电压、高频率下的反向流现象也不能由D-H近似法给出正确的预测。当电压较大时,一般采用非线性的Poisson-Boltzmann(P-B)模型。但是,P-B模型也无法对交流电渗流泵在大电压、高频率下的反向流现象进行预测。在P-B模型中,溶液粒子被当作一个空间点,忽略了粒子间的相互作用以及粒子本身的空间体积效应。实际的粒子都有一定的空间体积,当电压较大、溶液浓度较高时,粒子的空间体积不应被忽略。由于粒子的空间体积,通过引入粒子空间效应对P-B模型进行修正后,给出了交流电渗流泵在较大电压下的数值模型,并对交流电渗流泵在较大电压下的高频率反向流现象进行了成功的预测。

固体火箭发动机喷管扩张段粒子冲刷流场分析

某翼柱形药柱固体火箭发动机喷管扩张段出口部位在试验后出现了与药柱翼槽位置相对应的冲刷痕迹,为了研究Al2O3粒子对喷管扩张段的冲刷规律,对喷管型面改进提供依据,对比了不同湍流模型、颗粒轨道模型对形成冲刷痕迹的影响,分析了发动机喷管扩张段两相流场特征,确定了形成冲刷痕迹的粒径范围,判断了冲刷痕迹的形成时间,提出了喷管型面改进方案。结果表明,喷管扩张段的冲刷痕迹形成于发动机工作的15 s时刻之前,主要由药柱后翼燃烧产物中颗粒粒径分布为10~16μm区间的粒子造成,改进后的喷管型面可有效降低粒子对喷管扩张段的冲刷。

分段式固体火箭发动机内部流动不稳定性数值分析

采用大涡模拟技术,针对某分段式固体火箭发动机开展了发动机燃面退移0mm,160mm和280mm三个时刻下发动机燃烧室内部流动不稳定现象的数值分析,获得了三个典型时刻燃烧室内压强可能的振荡特性。计算结果表明,在发动机点火初期燃烧室内流动不稳定性主要由表面涡脱落导致;随着燃面的退移,端面限燃层暴露在燃气中,由于端面包覆结构残余的影响,燃烧室内流动不稳定性主要由障碍涡脱落决定,且与点火初期相比,压强振荡的频率逐步减小。

残余限燃环对大型分段式固体火箭发动机凝相沉积的影响

采用Euler-Lagrangian方法描述固体火箭发动机两相流动过程,数值分析了某大型分段式固体火箭发动机地面试车后在后段燃烧室筒段出现大量的Al 2O 3凝相颗粒沉积现象,计算过程中考虑了气相湍流脉动对凝相颗粒的影响,并通过缩比分段式固体火箭发动机地面粒子沉积试验对计算结果进行验证,数值计算与试验结果基本吻合。二者结果表明,由于前后段燃烧室推进剂燃速差异性,导致在大型两分段式固体火箭发动机工作末期,前段燃烧室高温燃气中的大量微小颗粒受到湍流脉动的影响而被后段燃烧室筒段壁面捕获形成凝相沉积。同时研究表明,燃烧室分段部位的残余限燃环高度对后段凝相沉积量影响非常明显,通过降低分段部位限燃环残余高度,能够明显降低发动机工作过程中后段燃烧室的凝相沉积量。

一次燃气入口角度对水冲压发动机比冲性能影响分析

为了研究一次燃气入口方式对于水冲压发动机性能的影响,基于涡耗散模型建立某高金属含量镁基推进剂水冲压发动机三维多相流掺混燃烧反应模型,获得了一次燃气不同入口角度对补燃室内温度分布、镁组分变化以及发动机比冲的影响。计算结果表明,多股燃气中心汇聚明显加剧了一次进水区域内的镁/水燃烧反应速度,有效提高了发动机工作压强和比冲,同时有利于减少镁/水充分反应所需的补燃室长度。