嫦娥五号发动机降落羽流扬尘特性研究

在月球探测器着陆过程中,发动机羽流与月面相互作用后溅起的月尘是月面环境危害的主要来源。本文以嫦娥五号任务测试数据作为仿真入口条件,采用计算流体动力学(CFD)两阶段法建立了嫦娥五号任务中使用的喷管1∶1模型和真空羽流扩散侵蚀模型,研究了喷管在不同降落高度下的侵蚀速率,并计算了发动机距离月面高度为0.5~2.0 m范围时月尘颗粒的运动轨迹、扬尘角和速度特性。结果表明,基于剪切应力得到的最大侵蚀速率为8.83 kg/m^(2)s,随着高度增加,侵蚀速率降低,与嫦娥五号降落相机相同高度下的分析结果一致。粒径为1、70ìm的月尘颗粒最大扬尘高度分别为0.72、0.36 m,最大速度分别为2520、1010 m/s。不同粒径月尘的扬尘角范围为1.44°~2.27°,计算的扬尘角与Apollo探月任务中的结果相近。

中小推力火箭发动机试车降噪方案仿真分析

火箭发动机试车时的噪声很大,降低其强度对于环境保护很重要。针对中、小推力液体火箭发动机试车,提出了引射筒、消声器及喷水组合的降噪方案,并进行了数值仿真研究。结果表明:引射筒不仅起引射作用,而且将主要的喷流噪声源区域与环境隔离,在降噪中起主要作用;对于小推力发动机喷流,格栅型消声器的降噪效果很好,不必附加喷水措施;对于中等推力发动机喷流,喷水的降噪作用不明显,其主要作用是降温和减小燃气扩散污染,不宜采用过大的喷水量和过小的喷雾粒径;对于300 N级发动机,引射筒承载的力较小,而后部的隔声墙会承载与推力相当的力,对于3 kN级发动机,引射筒会承载发动机的大部分推力,后部的隔声墙会承载较小的力。

不同推力与射流类型的火箭发动机排气噪声仿真研究

火箭发动机排气的气动噪声分析是降噪的基础。采用k-ε湍流模型和大涡模拟对发动机排气场进行仿真,再采用FW-H法对噪声场进行计算。对4种不同推力发动机的欠膨胀和过膨胀排气流场的仿真分析表明:排气场声功率级的分布与湍流强度的分布具有相似性,且有明显边界;声功率级在射流影响区域呈现锥形分布的特征,半锥角随推力增大但变化不大,在13°~16°;正激波后的声功率最大,此外噪声强度最大的位置介于马赫数为1的界面到燃气/空气界面之间;射流欠膨胀时,最大声功率在喷管出口下游,射流过膨胀时,最大声功率在喷口附近或内部;对于推力接近的发动机排气场,其噪声声压级基本相同,与射流状态无关;随着发动机推力的增大,声功率级最大值增大不多,而高声功率级的范围扩大是噪声增大的主因;发动机排气噪声的频率范围较宽,主频随着推力增大而降低的原因不是高频噪声降低,而是下游大尺度涡脉动引起的低频噪声增强。

单喷管液体火箭发射喷流噪声模拟试验研究

针对捆绑式运载火箭发射噪声问题,研制了一种相对简化的单喷管液体火箭发射喷流噪声模拟试验系统,开展了发射喷流噪声模拟试验研究。研究表明:受发射平台结构扰动效应影响,空间高度方向发射喷流噪声变化规律不同于自由喷流噪声变化规律,但不同测点之间噪声声压级随时间变化规律存在相似性;发射喷流噪声频谱存在宽频特性,同时还存在突出倍谐频啸叫特征或突出单基频啸叫特征。发射喷流噪声模拟试验过程中综合了喷流流场研究,研究发现:喷流噪声声压时域变化规律与发动机工作压力、喷流流场压力时域变化规律也存在相似性。

谐波平衡法求解俯仰运动矩形贮箱中液体非线性晃动

针对俯仰运动贮箱中液体的晃动用变分原理建立了一类新的Lagrange函数,以此为基础可以解析方式来研究俯仰运动贮箱中液体的非线性晃动.首先将速度势函数Ф在自由液面处作波高函数η的Taylor级数展开,从而导出自由液面运动学和动力学边界条件非线性方程组;然后用谐波平衡法(HBM)假设其解为各次主导谐波叠加的形式,并代入方程组中得到含有未知系数相应多个代数方程式;最后用Broyden法对代数方程组求解.以无挡板开口二维、刚性矩形贮箱为例,研究了液体的大幅晃动,就液体晃动的幅值而言,在一定激励频率范围内,理论计算值与试验结果吻合较好,同时液面波高出现明显的零点漂移现象.

火箭燃气射流流场的无网格方法模拟

首先,将无网格方法用于带化学反应的多组分气体Euler方程进行求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程;其次,对NACA0012跨声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟,验证无网格算法的可靠性以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中;最后,采用发展的无网格算法计算了典型火箭燃气射流流场。计算结果表明,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象;在欠膨胀状态下,相交射流激波在轴线上的交点随着欠膨胀程度的增加而远离喷管出口。在过膨胀状态下,相交射流激波在轴线上的交点随着过膨胀程度的增加而不断靠近喷管出口;超声速来流条件下,仅改变不同来流马赫数,对射流流场总体结构基本无影响,射流激波相交点位置基本相同,轴线上参数分布也基本一致。为研究火箭燃气射流流场提供了一种新的数值方法,并拓宽了无网格算法的应用范围。

火箭尾焰等离子体浓度分布数值计算

在火箭尾焰电磁波衰减影响研究中,需要了解火箭尾焰流场等离子体浓度分布。使用数值方法计算了固体火箭尾焰流场参数,应用等离子体浓度计算模型,对火箭尾焰流场等离子体浓度分布进行了数值计算,并对仿真计算结果进行分析,为研究穿越火箭尾焰电磁波干扰提供研究数据。

应用时域有限差分法分析火箭尾焰对测控信号的影响

建立了基于时域有限差分法的火箭尾焰对测控信号衰减影响研究模型,采用时域有限差分法计算并分析了火箭尾焰对测控信号衰减影响,得到了测控信号入射火箭尾焰时功率分布与衰减特性。

重载负荷下的燃气作动筒内弹道推力特性研究

以某军工项目为研究背景,建立内弹道模型,对燃气作动筒加载一系列的负载进行推力特性的定性定量研究。该套带高压室喷管系统的燃气作动筒装置,基于高压室壅塞流动和非壅塞流动的数学模型,采用Matlab中的Simulink模块进行程序搭建,以实例进行内弹道仿真计算,得到该燃气作动筒的内弹道参数和推杆推力的数值解,并对其结果进行定性和定量分析,得到燃气作动筒推力特性的一般规律,为燃气作动筒的工程应用提供了借鉴。

微喷管中稀薄流动时热力学非平衡现象研究

微喷管作为微推进系统中的重要部件,其工作性能的研究对于微推进系统的设计有着重要理论指导意义。采用求解带滑移边界条件的N-S方程和直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法,研究微喷管中的稀薄流动,通过设定气体分子转动松弛所需要的松弛碰撞数Zrot研究微喷管中的热力学非平衡现象。结果表明:Kn>0.1时,微喷管中流动开始变得稀薄,连续性假设失效,N-S方程求解结果出现误差;随着微喷管中流动稀薄程度增加,热力学非平衡现象逐渐明显;热力学非平衡现象使微喷管内气体内能转化为平动能的量减少,微喷管内速度和推力整体减小;热力学非平衡现象对微喷管流场影响大于对其工作性能的影响,考虑转动松弛对微喷管内温度场的影响大于速度场。

火箭高温高速喷流注水降噪数值计算与分析

以某火箭发动机缩比喷管为研究对象,针对火箭发射的典型工况,基于计算流体力学(CFD)及Mixture多相流模型分别开展了孤立火箭喷流与注水降噪条件下的平均流场数值计算。分析了注水条件下,水流对火箭喷流平均温度、压力、速度和湍动能场的影响,并在此基础上采用自主发展的基于RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)的喷流噪声预测程序,在分析火箭高温燃气喷流湍流混合噪声、宽带激波噪声频谱特性和指向性的基础上,研究了注水对火箭燃气喷流湍流混合噪声与宽带激波噪声在不同频率、不同观测位置的影响规律,为后续火箭起飞降噪方案的设计提供了技术基础。

注水参数对火箭喷流流场的影响规律研究

为了研究火箭起飞时不同注水参数对火箭尾焰喷流流场的影响规律,以某火箭发动机缩比喷管为研究对象,基于计算流体力学(CFD)方法及Mixture多相流模型开展了注水时单喷管火箭喷流流场的数值计算研究。以注水速度、流量、位置等注水条件为变量,量化分析了注水对火箭喷流平均温度、压力、速度和湍动能场的影响。结果表明:注水速度大于30 m/s时,可有效降低喷管射流的温度和速度,当注水速度低于20 m/s时,注水对喷流轴线上物理量的影响变小;注水速度为30 m/s,且流量大于2.2倍喷管射流秒流量时,可以有效降低喷管射流温度和速度;注水与喷流作用点位于喷管射流前三个激波位置时,注水对喷流降温降速效果较好,且作用点越靠近上游,对喷管射流的影响越明显,但实际工程应用中应避免注水溅到喷管上。