基于卷积神经网络的地面尾喷焰流场预测

针对采用传统计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法计算火箭发动机尾喷焰耗时较大的问题,提出了一种基于卷积神经网络方法的地面尾喷焰反应流场智能预测模型,用于实时、快速生成典型发动机型谱参数条件下的高精度喷焰流场结果.以固体弹道评估发动机(ballistic evaluation motor Ⅱ, BEM-Ⅱ)为研究对象,在一定发动机型谱参数范围内采用拉丁超立方抽样方法抽选样本空间,将基于CFD方法计算的40个尾喷焰稳态流场样本作为模型训练数据集.采用编码器-解码器结构,引入并行解码器、反卷积层和瓶颈层,使模型能够在数量较少的样本下取得良好的训练效果.采用试车实验数值结果验证和评估了不同欠膨胀状态下尾喷焰流场智能预测模型CNN-PLUME的预测性能.结果表明:建立的尾喷焰智能预测模型回归系数接近于1,模型鲁棒性强;可实时生成尾喷焰反应流场结果,模型效率高;喷焰流场预测结果与试验校核数据高度一致,模型预测精度高;在不同欠膨胀状态下尾喷焰流场最大误差为14.17%,模型泛化能力较强.该模型可为地面试车尾喷焰流场规律以及发动机型谱参数设计提供方法支撑.

火箭发动机推力与红外辐射关联特性数值分析

为实现火箭发动机目标分类与识别,提取发动机推力大小与尾喷焰红外辐射强度间关联关系成为必要环节。本研究以高氮高能GAP/Cl20/Al(GCA)和高氮无烟GAP/ADN/DAAOF(GAD)两种新型推进剂为研究对象,从影响发动机推力的主要型谱参数入手,基于尾喷焰内流、反应流场和红外辐射的全链路计算方法,设计燃烧室压力、喷管膨胀比和推进剂配方谱系,数值分析了发动机推力与欠膨胀尾喷焰在2.7、4.3μm波段的辐射强度的关联性。结果表明:在燃烧室压力和喷管膨胀比变化下,发动机推力与尾喷焰辐射强度均呈对数线性关系;在同推力下,GAD较GCA推进剂的尾喷焰辐射强度偏低3~5倍;燃烧室压力和喷管膨胀比作为推力主导因素下,两种推进剂在不同来流动压下的发动机推力与红外辐射强度近似遵循统一的对数分布关系;推进剂配比变化引起的发动机推力变化较弱,在不同来流动压下两种高氮推进剂对应的尾喷焰辐射强度沿发动机推力呈现出明显的“聚集”现象,且在4.3μm波段内的辐射强度随来流动压差异呈现出分层现象。

固体火箭发动机喷流流场数值仿真

采用The Diagonalized Upwind Navier-Stokes(DUNS)程序对两种火箭发动机的喷管-尾喷焰进行了一体化数值仿真。DUNS程序采用对角化ADI算法对雷诺平均N-S方程进行了求解,求解过程采用三阶精度TVD格式,q-ω两方程湍流模型。首先对文献中典型喷管的喷流流场进行了数值模拟,与文献结果进行了对比,然后针对某型号固体导弹的喷管-尾喷焰在不同飞行高度和不同飞行速度进行了数值模拟,为对该型号导弹的尾喷焰开展红外辐射研究打下了基础。

固体火箭发动机尾焰流场特性研究

针对某固体火箭发动机,对二维轴对称尾焰流场进行数值模拟,并考虑复燃化学反应和Al2O3颗粒运动的影响。计算得到了尾焰射流的温度场和组分分布图,将计算结果和地面实验结果进行对比,对尾焰流场主要特点进行分析。结果表明复燃化学反应主要发生在燃气空气混合区域,化学反应使复燃区域温度升高约250 K。该计算方法能反映出尾焰复燃流场的主要特点,可为固体火箭发动机尾焰红外特性的计算提供流场基本数据。

高含铝推进剂低压固体火箭发动机尾流场复燃数值模拟与实验研究

为研究高含铝推进剂低压固体火箭发动机的尾流场特性,利用流体计算软件Fluent,采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,对高含铝固体推进剂低压发动机尾流场复燃进行了数值模拟和实验研究。结果表明:低压下高含铝固体推进剂羽流复燃时,温度分布呈现"双峰"的现象,第一温峰是纯气相燃烧形成的,第二温峰是铝粒子燃烧形成的;且铝粒径越小,第二温峰出现的位置离喷管越近,铝粒子温度越高,最高可达1124K;燃烧室压强越高,第二温峰出现的位置离喷管越远。发动机试车试验中也出现"双峰"的羽流温度场,且测得粒子最高温度为1141K,与模拟结果吻合较好。

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

运用离散颗粒模型对固体火箭发动机及尾焰两相流进行了一体化仿真,得出了各燃气组分和Al_2O_3颗粒的流场参数分布。通过建立固体火箭尾焰红外辐射模型,计算出了二维轴对称尾焰的光谱辐射亮度。研究表明,颗粒辐射起着主导性作用,颗粒尺寸越小,在4.3μm波长处气相辐射作用越明显;燃烧室内燃面颗粒速度越大,尾焰辐射越弱;颗粒尺寸越大,颗粒辐射越强,但随燃面颗粒速度增大,辐射降低越快。所得结论与相关文献数据一致,表明计算模型和方法可行。

固体火箭发动机喷管及出口处流场特性的数值分析

采用STAR-CD计算流体软件对某俄式发动机的喷管内流场及喷管出口处流场进行了三维的数值仿真与研究。分析了喷管内流场及喷管出口处流场的流动情况和设置不同出口边界位置对喷管中流场分离点及斜激波反射点的位置的影响,得到了清晰的流场压力与马赫数的分布云图与曲线图。仿真结果与地面热试车试验测得的结果相吻合。可为固体火箭发动机喷管的设计与研究提供有效参考。

固体火箭发动机羽流红外辐射特性研究

考虑了羽流组分间的化学反应,应用Roe-FDS格式求解羽流场,再用羽流场参数作为输入条件,采用离散坐标法和谱带近似法对固体火箭发动机羽流在光谱2～5μm内的红外辐射特性进行了计算,羽流气相辐射强度随波长变化规律的计算结果与实验值基本一致。计算结果表明,不同羽流位置点的光谱辐射强度随波长变化规律一致,纯气相辐射强度在2.7μm和4.3μm处出现峰值,随羽流场轴向和径向尺寸的增大而减小,在其他波段无明显变化规律;气相与粒子总辐射强度随波长的增大而减小,其辐射强度远大于纯气相的辐射强度;观测方向与羽流轴线夹角的方位角增大,红外辐射强度减小。

复合推进剂固体火箭发动机喷流流场数值模拟

采用CEA(Chemical Equilibrium with Applications)计算复合推进剂化学平衡组分及喷管入口参数,随后通过FLUENT对固体火箭发动机喷管-尾喷焰流场进行了一体化数值仿真。采用时间推进法及AUSM空间离散格式数值求解二维轴对称Navier-Stokes方程组,采用k-ε湍流模型模拟喷流与环境大气的掺混,并考虑了H2、CO、HCl在喷流流场中的二次燃烧,运用拉格朗日方法模拟Al2O3颗粒与喷流的相互作用。计算在不同高度和马赫数下展开,给出了不同情况下的流场分布。结果表明,H2、CO、HCl的二次燃烧对喷流流场影响显著;随着高度的增加,喷流流场影响域扩大;随着来流马赫数增加,喷流流场波节数降低。

固体火箭发动机排气羽流对红外制导信号衰减的计算方法

固体火箭发动机排气羽流对红外制导信号的衰减研究,对红外信号的探测与制导具有重要的理论和应用价值。文中主要介绍了红外制导信号的衰减机理,提出了计算排气羽流红外制导信号衰减的有效方法,编制了计算软件DROP,用该软件计算了水雾及颗粒群的光谱透射比,并与SIRRM软件的计算数据进行了对比。结果表明,两者数据基本一致,在工程应用中具有较大的参考价值。

空空导弹发动机采用少烟复合固体推进剂评述

本文在总结我国空空导弹发动机研制的基础上,分析空空导弹发动机尾喷流对载机的影响.同时,从导弹发动机设计的角度出发,根据国内实际水平,提出采用少烟复合固体推进剂作为今后减少尾喷流对载机影响的主要技术途径.

SRM羽焰图像的检测与参数预估

应用基于VC++.NET开发环境自行开发的红外图像识别系统对固体火箭发动机排气羽焰图像进行了数字图像处理,实现了固体火箭发动机排气羽焰的分析。将数字图像处理技术引入到固体火箭发动机地面试车试验中,为固体火箭发动机排气羽焰的分析与参数辨识提供了一种新的、比较有效的方法,对火焰的基本参数,如火焰量值、长宽比、均值对比度、亮度最大像素点、复杂度等参数进行了计算处理,得到了较好的结果,达到了分析与识别的目的。

基于冰筒结构的固体火箭发动机热试车用尾焰处理新技术

针对固体火箭发动机尾焰高温(总温超过3500℃)、高污染(氧化铝颗粒和氯化氢气体等)的问题,基于水冷壁、水喷淋等水处理系统的有效性,提出了一种采用具有更多冷能的水的固态形态——冰,对地面热试车的固体火箭发动机尾焰进行冷却降温与污染物沉降的新型处理方法。对冰筒装置内发动机尾焰与冰壁面间的流动换热过程开展了理论分析,并针对XXΦ127及XX500两种规模的固体火箭发动机开展了试车实验。结果表明,发动机出口尾焰在冰筒装置内实现了大幅度降温,冰筒出口气体温度低于100℃,氯化氢气体去除率大于97%,速度低于50 m/s、场外噪音小于85 dB。试验结果成功验证了新型冰筒处理技术的可行性和有效性,能够快速实现固体火箭发动机尾焰降温、降速、降噪和降污染的“四降”目的。

飞行高度对固体火箭两相喷焰流动与辐射的影响

针对某模型固体火箭发动机,基于欧拉离散相模型描述气-固两相相互作用,采用详细化学反应机理计算喷焰复燃效应,基于逐线积分法加米散射理论求解气体及粒子辐射物性参数,通过视在光线法计算辐射传输,并利用测量数据验证了模型的适用性,仿真分析了不同飞行高度对气固两相喷焰流动及辐射特性的影响。研究结果表明:随着飞行高度增加,喷焰中燃气与固体颗粒间相互作用减弱,且粒径越大的粒子与燃气间差异越大;两相喷焰受不同飞行高度上掺混与复燃效应程度差异的影响,致其温度分布和不同组分浓度分布存在显著差异;各高度下两相喷焰光谱辐射呈现气体选择性发射谱结构,其中高温Al2O3对辐射贡献主要集中在短波,且高度越高,影响越小;不同谱带间辐射特性受不同组分发射带影响而存在差异,且2.7μm和4.3μm两个主要发射带的辐射峰值出现在不同飞行高度。

火箭发动机尾喷焰红外辐射缩比特性数值研究

为了研究火箭发动机缩比模型对应尾喷焰辐射特性的相似性,利用喷焰红外辐射特性计算工具(IRSAT)对近地面飞行状态下的不同喷口缩比尺寸、飞行马赫数以及不同谱带内的辐射特性进行仿真计算。计算结果表明,相同尺寸当量时,2.7μm光谱辐射强度增加量大于4.3μm光谱辐射强度;在当量尺寸较小且缩放比例不大(R<12)时,辐射强度随马赫数的分布具有一致性;随着当量尺寸的增加,红外辐射相似性随着马赫数的增加逐渐降低。

一种新的模拟固体火箭发动机射流铝颗粒燃烧的方法

在总结以往火箭射流数值模拟的基础上,采用多组分有限速率化学反应模型模拟气体在喷管后的复燃,并引入拉格朗日颗粒轨道模型来模拟由Al和Al_2O_3组成的混合颗粒。通过快速欧拉模型得到Al_2O_3烟尘的速度场,然后通过质量、动量、能量源项将气体相、颗粒相和烟尘相三者联立耦合计算来模拟铝颗粒的燃烧和燃烧产生的烟尘颗粒对整个射流结构的影响,为以后更准确地计算射流红外辐射特性提供了理论工具。

高能炸药成分对空空导弹尾喷焰红外辐射信号影响研究

建立火箭发动机内流计算模型、尾喷焰反应流场计算模型和红外辐射计算模型,用于分析火箭发动机尾喷焰红外辐射特性。以某型空空导弹为研究对象,分别设计和分析了AP/HTPB/Al、AP/HTPB/RDX/Al和AP/HTPB/Tetryl/Al 3种推进剂配方工况在5 km、10 km和15 km 3个飞行高度下的红外辐射信号差异。结果表明:推进剂中高能炸药成分降低了喷口处的CO_(2)和H_(2)O的含量,提高了H_(2)和CO的含量;Tetryl较RDX在喷口产生含量更多的H_(2)和CO_(2),会引起更广的复燃区域和更高的复燃温度;高能炸药成分增强了复燃现象,会引起喷焰辐射光谱强度、谱带内积分强度的升高以及辐射强度分布范围的增大。

固体火箭发动机喷焰微波衰减的研究

综述了国内外固体火箭发动机喷焰微波衰减的有关研究工作,包括喷焰微波衰减特性分析,固体推进剂组分对微波衰减的影响,微波衰减的抑制方法和喷焰微波衰减的计量技术.

某型无人机固体火箭发动机助推器尾流场数值研究

为研究某型无人机固体火箭助推器在助推无人机起飞时,产生高温燃气尾流对地面发射架造成冲刷影响,开展三维尾流场数值仿真。结合结构特性与计算精度选用结构化网格技术、压力基耦合算法、k-ε湍流模型、二阶迎风格式对轴对称固体火箭发动机尾流场进行了三维稳态数值计算,并对尾流场主要特点进行分析。研究发现高温高速尾流对喷管后方区域环境及发射架影响巨大,考虑到喷管后方发射架或其他保障设备安全,需要有可靠的热防护措施。

电磁波在固体火箭尾焰中的折射轨迹研究

为了获得电磁波在穿过尾焰时的折射偏转轨迹,以CFD计算的某型固体火箭尾焰流场为基础,建立了尾焰等离子体折射率模型,考虑尾焰同时在轴向和径向两个方向离散,对电磁波在尾焰中的折射偏转轨迹进行了计算。对比分析了不同电磁波频率,不同入射位置,不同入射角度下电磁波折射偏转轨迹的区别,掌握了电磁波在尾焰中的折射偏转特性。研究结果表明,尾焰等离子体折射率与入射电磁波频率相关,对应不同入射电磁波频率,尾焰折射率云图分布呈现不规则性;即使入射位置及入射角度确定,电磁波频率与折射情况也没有严格的定性关系,但是随着电磁波频率的增加,尾焰对电磁波的折射干扰程度有减小的趋势。