数值模拟液体火箭尾焰流场和红外辐射特性

为了研究液体火箭尾焰的流场及红外辐射特性,建立了一个相对完整的计算模型,分别使用FLUENT软件和有限体积法(FVM)计算尾焰流场和红外辐射特性,然后使用通用大气辐射传输(CART)软件计算大气透过率,并验证了模型的正确性。利用此模型研究了典型条件下火箭尾焰的流场及红外辐射特性。结果表明,尾焰在垂直于轴线方向的辐射强度最大,并集中在2.5’3.0μm和4.2’4.7μm两个波段,在10km高空大气对2.6’2.9μm和4.1’4.6μm两个波段的辐射吸收较强。

喷气发动机红外辐射建模与仿真

分析了喷气发动机红外辐射的主要来源,研究了喷气式发动机红外辐射建模与仿真的方法,给出了不考虑散射时某一空间位置处探测元辐照度的计算方法和步骤。根据壁面辐射线传递路线将微元面或微元体划分为三种情况,分别论述了各自的离散与计算方法。流场计算时使用Fluent组分模型计算燃气H2O和CO2的摩尔浓度。在计算辐照度时,使用了经典的表格法和低分辨率计算模型LOWTRAN7研究大气辐射传递特性的影响。最后,用介绍的微元离散法编制了程序计算了圆出口截面与探测面连线天顶角不同时的辐照度值,验证了该方法的有效性。

基于窄谱带模型的尾焰红外辐射计算

尾焰红外辐射的计算是飞行器红外辐射计算的重要环节。在尾焰流场工程计算模型的基础上,从燃烧的化学反应出发,解决了尾喷口处气体组分参数的计算问题,利用基于Malkmus窄谱带模型的C-G近似法得到了尾焰红外辐射的快速计算方法。仿真结果表明,该方法能够快速准确地计算出尾焰的辐射,能为红外制导导弹仿真中飞机目标红外辐射的计算提供有效途径。

发动机排气系统红外辐射特性数值模拟

建立了发动机排气系统的内外流一体化流场计算模型,经过流体分析CFD软件计算得整个流场的温度场、压力场和浓度场分布。燃气介质考虑了水蒸气、二氧化碳和一氧化碳的红外光谱吸收与发射,然后采用辐射传递方程(RTE)积分法计算了发动机排气系统的红外辐射特征。结果表明,发动机排气系统红外辐射强度沿天顶角的分布图不再是"梨"形,而是"超椭圆"形。

二级火箭喷流对底部热环境影响的数值模拟

为研究二级火箭工作时对底部热环境的影响,在不同喷管固壁热辐射和飞行高度条件下,用Fluent软件自发动机喷管喉部处计算喷流流场和底部区域内给定平面的对流热流密度,并建立了三维反向蒙特卡罗(RMC)法模型,同时根据HITRAN数据库计算气体红外辐射特性,获得喷流对给定平面的辐射热流密度,两者相加即为喷流到达研究平面的总热流密度。结果表明:热辐射和热对流在底部产生的热效应趋势不同。

轨控发动机羽流红外辐射的数值仿真

针对工作在高真空环境下的轨控发动机，数值模拟了其羽流红外特性。首先计算了考虑化学反应的轨控发动机喷管的内流场和外流场，得到了温度、压力、组分浓度等参数的分布。基于HITRAN2008和HITEMP2010数据库采用逐线积分法编程计算了气体光谱吸收系数。最后在此基础上用有限体积法建立的求解辐射传输方程的模型，计算得到羽流红外辐射强度在2～10μm范围内随波长变化的曲线。分析了羽流气体组分、波长、探测角度对羽流光谱辐射的影响，与同类文献中的计算结果进行了比较，结果表明：本文的计算模型和方法能较好地模拟轨控发动机羽流的红外辐射特性。

固液混合火箭发动机尾焰的红外特性研究

针对固液混合火箭发动机中Al2O3颗粒运动的影响，对喷管的内流场和外流场进行了一体化数值仿真，得到了温度、压力、组分浓度以及粒子浓度等参数的分布。利用以最新的分子光谱数据库HITRAN和HITEMP为基础编写的逐线积分法计算了气体光谱吸收系数，采用米氏散射模型计算了固体粒子的辐射特性参数。利用基于有限体积法离散辐射传输方程的模型计算出了尾焰的红外辐射亮度。通过进一步求解，得到了特定波段的光谱辐射强度。在8—14岬波段，利用红外热像仪进行了试验，并将试验结果与数值计算结果进行了比较。结果表明，该计算模型和方法能较好地模拟固液混合火箭发动机尾焰的红外辐射特性。

运载高空发动机喷流热环境分析及飞行验证

为研究某运载火箭高空末子级发动机工作时对底部热环境的影响,对发动机底部喷流流场的Kn、温度、压力、速度分布进行数值建模分析,研究了贮箱、伺服机构、筒段等给定位置处的热流分布。结果表明在喷流主流区域Kn非常小,可视作连续介质流;高空状态下受外界低气压的影响,喷流迅速扩散,喷流压力和温度快速下降,形成的对流热流密度较小。用反向蒙特卡罗(RMC)法模型,根据HITRAN数据库计算气体红外辐射特性,获得辐射热流,结合喷管固体辐射,形成对给定位置的总热流。热流分析结果与运载火箭飞行试验结果吻合较好,一般误差小于10%,最大误差25%,满足工程研制需求。

固体火箭发动机喷焰流场及辐射特性实验

火箭发动机喷焰流动和光电辐射效应对飞行器动力、热防护以及探测特性等有着重要影响,由于喷焰状态涉及高温高速流动、复燃化学反应等一系列复杂的物理和化学现象,通过实验研究喷焰流动特征和辐射效应是喷焰研究的重要手段。从实验研究角度出发,设计小型固体火箭发动机实验,获得系留状态的喷焰流动,进而通过光学测量手段,对喷焰流动和辐射状态进行测量,获得了喷焰波系结构、中长波光谱辐射、红外热像等综合信息,为认识喷焰流动和辐射效应提供了数据基础。

飞行参数对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了研究飞行参数对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,利用FLUENT软件计算不同飞行参数下的尾焰流场,利用HITEMP数据库计算燃气的辐射参数,使用有限体积法(FVM)计算尾焰在2.0～5.0μm波段光谱辐射特性。据此研究了火箭飞行高度和飞行速度对尾焰2.0～5.0μm波段光谱辐射强度以及2.5～3.0μm和4.2～4.7μm两个波段辐射强度影响。研究表明,飞行高度和速度对液体火箭尾焰红外辐射强度的影响主要是通过改变流场的温度和尺寸实现的。飞行速度不变,在0～40km范围内,随着飞行高度的增加,尾焰辐射强度呈增大趋势,并且在4.2～4.7μm波段的辐射强度增幅较大;飞行高度不变,随着飞行速度的增加,尾焰辐射强度呈先减小后稳定趋势,且2.5～3.0μm波段的辐射强度减幅较大。

火箭发动机出口参数对喷焰流动及辐射的影响

基于详细化学反应机理+逐线积分法+视在光线法开展了火箭发动机喷焰流动与辐射特性研究,分析了不同化学反应机理对流动与辐射的影响,利用地面试验数据校验了模型的正确性,并详细分析了火箭发动机出口参数变化对喷焰流动及辐射的影响规律。研究结果表明:喷管出口温度增加,对流场结构影响较小,但会显著提升喷焰的复燃效应;喷管出口压强增加,会对流场马赫波系结构产生影响,但对喷焰二次燃烧影响较小;喷焰红外辐射强度会随着出口温度或出口压强的升高而增加,且红外辐射强度与出口推力正相关。