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。

发动机尾喷焰复燃化学反应模型评价与重构

复燃效应的准确预估对于精细描述尾喷焰反应流场参数和提高尾喷焰红外辐射计算精度至关重要。文中以固体火箭发动机为研究对象,建立尾喷焰复燃有限速率化学反应模型,结合流体计算动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法和尾喷焰红外辐射计算模型,评估不同化学反应动力模型在尾喷焰流场参数和红外光谱辐射计算方面的精度,基于各化学反应速率曲线与试验数据重构适用于尾喷焰CO/H_(2)反应体系的10步气相化学反应动力模型,并验证和校核复燃化学反应模型可靠性。结果表明:不同化学反应模型计算所得的尾喷焰流场结构差异微弱,轴向温度峰值最高相差200 K左右,差异主要发生在复燃区域;化学反应动力模型对不稳定产物CO影响最为显著,CO_(2)分布差异主要发生在高含量区域,最大差异达到近50%,且低含量组分的差异高达两三个量级;在2.7μm和4.3μm典型波段内,不同化学反应工况下的尾喷焰光谱辐射峰值强度差异达到近40%;基于反应速率试验数据构建的9组分10步反应的CO/H_2反应体系的尾喷焰辐射计算值与BEM-II试验数据的差异低于6%。该研究可为准确预测火箭发动机尾喷焰反应流场的红外辐射特性提供高保真化学反应动力模型。

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。

固体发动机燃气射流对发射平台冲击效应研究

为研究燃气射流对发射平台的热冲击和动力冲击效应,采用有限速率化学反应模型和H2/CO反应体系模拟了燃气射流中的复燃现象,得到了射流流场结构及发射平台上的温度和压力分布情况,计算结果与试验数据吻合较好。研究表明,在射流近场内考虑复燃效应时,计算结果更为准确。发射平台中心处为高温区,应采用抗高温耐烧蚀的材料。发射平台距发动机喷口为1.4、1.7、2 m时,平台上压力分布变化不大;发射平台离发动机喷口越远,平台上的温度变化越小。

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。

火箭发动机尾焰流场注水降温效果初探

为了对超声速高温燃气射流的注水降温机理进行探索,对该类流场进行了数值模拟和实验研究。气-液两相流场采用Mixture多相流模型进行计算,液态水的汽化过程通过耦合水的汽化方程来模拟。实验现象采用高速摄影和红外热像仪进行拍摄,并且在冲击平板上布置了热电偶温度测点。通过对仿真计算得到的温度云图与实验结果进行比较发现,无论是流场形态还是温度场分布,两者都十分吻合,证明了计算模型的适用性。结果表明:液态水和燃气的掺混汽化吸热效果显著,高温区域由于注水影响缩小到一个类锥形区域;迎气面温度大大降低,热冲击烧蚀效应得到有效缓解,尤其是中心部位降温效果最为明显,注水后温度仅为原温度值的60%左右。

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。

火箭发动机羽流红外特性研究概述

介绍了国内外火箭发动机羽流红外特性的研究进展及实验研究方法,总结了计算发动机羽流红外特性常用的求解方法及其特点,提出国内应当在辐射模型的完善及与流场计算的耦合度、高空辐射模型的建立、实验数据获取等方面开展更深入的研究工作。

固体火箭发动机水下燃气泡计算

采用二维非定常气流场模型和VOF(Volume of Fluids)模型,对水下固体火箭发动机点火初期这一非稳态过程进行了气水耦合数值求解。模拟了燃气泡的形成、发展及断裂过程,揭示了燃气泡中压强、马赫数等参数的变化规律,得到了高速射流点火初期的流场变化特征,模拟中捕捉到了喷管出口处的压力脉动和燃气泡的"颈缩"现象,并对引起压力脉动的相关因素进行了讨论。模拟结果表明,燃气泡的发展变化过程会对喷管扩张段产生影响,这是水下高速射流的重要特征之一。上述研究可为水下发射固体火箭发动机设计提供参考。

反坦克导弹尾焰对微波信号衰减的理论预估

提出了一种能预测反坦克导弹尾焰及其它导弹喷焰对微波信号衰减的计算方法和计算机程序，它可定量地计算出推进剂中碱金属杂质含量、尾焰后燃效应和微波入射方位等因素对微波衰减的不容忽视的影响，弥补了AEROCHEM程序和IACH程序的不足。计算结果与实验结果比较有较好的一致性。

固体火箭发动机羽焰温度流场测试研究

讨论固体火箭发动机羽焰温度场的特点及测试方法,简要论述了热电偶法的缺点,重点论述红外测温法测试发动机羽焰温度场的可行性及关键技术问题的解决方法。文中针对红外测温法的难点问题,明确提出了发动机羽焰发射率的测试方法及羽焰三维温度场重构的方法,并指出红外测温技术是羽焰测温的发展趋势之一。

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。