基于k-ω SST模型的海上热发射单喷管运载火箭流场仿真

为解决海上发射装置热发射时结构安全设计问题,明确海上发射装置在热发射过程中受到射流冲击的影响,围绕单喷管火箭发动机尾焰流场特性展开研究,运用计算流体力学方法基于k-ω Shear Stress Transfer(SST)模型对三维单喷管发动机的尾焰流场进行数值模拟,得到发射过程中尾焰流场温度、速度、压力随发射高度的变化规律。模拟结果表明,喷管出口距甲板距离对流场激波结构有重要影响,当距离超过5 d_(e)(d_(e)为喷管出口直径)时火箭尾流温度和速度迅速下降,当距离超过30 d_(e)时射流恢复甲板环境压力。模拟结果可为后续海上发射平台安全设计与导流装置创新提供试验参考和理论依据。

某型运载火箭单喷管轴对称模型数值模拟

为了研究某型运载火箭发射流场的特征,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对某型运载火箭飞行5 m工位下的流场进行数值模拟。以3维单喷管发动机为模型,选用标准k-ε湍流模型,同时考虑混合气体,获得发动机尾焰流场,分析尾焰波系结构随时间的变化。计算结果表明:单喷管轴对称模型下的流场各个参数分布、激波系结构与理论分析结果一致,可为后续相关实验测量提供参考和理论依据。

单斜面膨胀喷管几何参数对流场和性能的影响

基于CFD技术,通过求解R eynolds平均N-S方程附以标准k-ε双方程湍流模型,数值研究了单斜面膨胀喷管(SERN)主要几何参数对其内部流场和性能的影响,计算结果表明,SERN扩张段上、下斜面长度和角度对喷管流场结构和性能有明显的影响,随着上斜面长度的增加,喷管从欠膨胀状态过渡到过膨胀状态,在完全膨胀状态下,推力系数最大,存在某一最佳的上斜面角度,在该角度下,喷管推力系数最大,同样地,对于下斜面也存在最佳斜面长度和角度。

单边膨胀尾喷管下壁面型线优化设计及实验研究

基于Isight优化平台,将多目标遗传算法与CFD计算相结合,针对超燃冲压发动机非对称尾喷管冷/热态俯仰力矩差较大的问题,对下壁面为三次曲线的尾喷管构型进行多目标优化,分析了初始膨胀角和尾缘角的相互耦合及其对喷管性能影响所占比重。结果表明,设计区间内,下壁面三次曲线构型在保持较高推力特性的前提下,可以大范围调整喷管俯仰力矩,显著改善喷管冷/热态俯仰力矩差较大的问题。在此基础上,选取优化所得点进行冷流缩比风洞实验,根据实验条件进行了相应的数值模拟,对比发现数值模拟与实验结果吻合很好,验证了该优化设计方法及结果的有效性和可靠性。

高超声速推进系统用单膨胀斜面喷管型面设计和流场模拟

基于特征线法,并考虑变比热的影响,开展了高超声速飞行器用单膨胀斜面喷管设计。利用CFD数值模拟技术,计算得到了设计状态和沿飞行轨迹其它飞行状态下的单膨胀斜面喷管内外流场和特性。结果表明,在设计状态马赫数5时,基于特征线法得到的单膨胀斜面喷管内流场分布符合设计要求,而在其它较低的飞行马赫数下,单膨胀斜面喷管处于过膨胀状态,并且过膨胀的程度随飞行马赫数的降低而愈加严重。在马赫数2.5时,喷管膨胀面气流已发生明显分离,喷管性能急剧恶化。为了提高低马赫数条件下单膨胀斜面喷管的性能,采用变几何结构(调节下斜板角度)或基于二次流控制的单膨胀斜面喷管是必须的。

下斜板可调的单膨胀斜面喷管型面设计和流场模拟

基于特征线法,并考虑变比热的影响,开展了高超声速飞行器用SERN设计。利用CFD数值模拟技术,计算得到了设计状态和沿飞行轨迹其它飞行状态下的SERN内外流场和特性。可以看到,在设计状态马赫数5时,基于特征线法得到的SERN内流场分布符合设计要求,而在其它较低的飞行马赫数下,SERN处于过膨胀状态,并且过膨胀的程度随飞行马赫数的降低而愈加严重。在马赫数2.5时,喷管膨胀面气流已发生明显分离,喷管性能急剧恶化。为了提高低马赫数条件下SERN的气动性能,分析了通过调节SERN下斜板角度从而实现其气动性能提高的方法。结果表明调节下斜板角度可以明显改善SERN非设计点的气动性能。

超燃冲压发动机尾喷管性能数值模拟研究

尾喷管是超燃冲压发动机产生推力的一个重要部件。文中以NASA单膨胀斜面喷管试验为参考,利用计算流体力学软件Fluent,采用RNG k-ε湍流模型,对尾喷管流场进行了数值模拟,研究了入口气流状态参数(比热比、静压比、马赫数、温度)对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响,初步给出了尾喷管内流场特征以及性能随不同入口气流状态参数变化规律,为超燃冲压发动机尾喷管与燃烧室一体化设计提供一定理论参考。

向心透平稳态全工况性能预测及其实验研究

将向心透平膨胀机喷咀入口至叶轮后扩压管出口模拟为单喷管,通过理论分析,推导出向心透平稳态全工况特性通用模型框架。基于实测数据,应用广义最小二乘法,获得通流特性和效率特性二个模型。用该模型预测其它两台透平膨胀机的特性,结果表明:模型实用范围和精度都较好。因此,在设计向心透平时,它可作为典型特性模型,为全工况优化设计提供依据。

无源腔结构对大膨胀比单膨胀斜面喷管的影响

开展了基于无源腔的单膨胀斜面喷管（SERN）流动控制方法研究,采用标准k-ε两方程湍流模型,通过求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,数值研究了过膨胀状态下无源腔结构对SERN内部流场和性能的影响.计算结果表明：与原型SERN相比,落压比为8时,无源腔结构的存在促进SERN上膨胀斜面流动的分离,改变SERN内部流场结构,影响SERN上膨胀斜面压力分布,从而使SERN的轴向推力系数提高1.75%,同时不会带来低头力矩的恶化.在落压比为3~13范围内,无源腔结构的存在促进了无源腔附近附面层流动分离,减少了SERN内激波串数目,并使SERN上膨胀斜面压力峰值增加,提高SERN轴向推力系数.

带无源腔结构的单膨胀斜面喷管性能分析

在过膨胀状态下,研究了大膨胀比单膨胀斜面喷管（single expansion ramp nozzle,SERN）内部三维流场和性能及无源腔结构对SERN内部流场和性能的影响。结果表明,原型喷管在低落压比范围4~10内,二维模型所计算的轴向推力系数比三维带侧壁后体喷管构型偏大。无源腔结构的存在促进SERN上膨胀斜面流动的分离,影响SERN喷管上膨胀斜面压力分布,从而提高SERN的轴向推力系数。在相同的开孔率条件下,两种的孔板形式的无源腔结构对喷管性能影响基本相同。

化学非平衡流动对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响

采用RNGk-ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,针对设计的超声速燃烧冲压发动机单斜面膨胀喷管,采用氢氧七组元八反应模型,数值模拟不同高度、不同来流马赫数条件下的喷管流场和性能.计算结果表明,喷管内的进一步燃烧对燃烧室起到了一定的补燃作用,对喷管性能影响较大.化学非平衡状态下,喷管推力特性和升力特性显著提高.超燃冲压发动机尾喷管的性能研究,应考虑化学非平衡流动的影响.

超燃冲压发动机喷管下唇板可调方案

高超声速飞行器在飞行接力点和巡航结束点受喷管冷、热态膨胀状态不同的影响,会产生较大的冷、热态俯仰力矩差,从而对飞行器姿态控制带来较大困难.针对该问题,研究了下唇板可调方案对降低冷、热态俯仰力矩差的有效性,对不同下唇板角度进行数值模拟,得到了喷管性能参数.结果表明:下唇板旋转6°时,设计马赫数Ma=4.5下冷、热态俯仰力矩差下降29.57%,推力系数减小0.42%.并且进行了下唇板角度可调方案的风洞试验和对应的数值模拟,对比发现数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的可调方案及数值模拟结果的正确性.