外界环境和二次燃烧对喷管射流影响研究

为了研究外界环境变化以及二次燃烧现象对固体火箭发动机喷管射流流场结构的影响,采用四阶Runge-Kutta时间推进法及三阶MUSCL空间离散格式,建立了二维轴对称固体火箭发动机喷管燃气射流数值模型。在与文献结果对比验证的基础上,分析了不同海拔高度与马赫数以及二次燃烧现象对固体火箭发动机喷管自由射流结构的影响,获得了燃气射流马赫数场、温度场、组分云图分布以及轴线温度变化曲线。数值结果表明:随着海拔高度的升高,射流对外界的扰动区域变大,最大马赫数升高;随着外界气流马赫数的增加,燃气射流波节数减少,对外界环境的作用范围减小;另外,二次燃烧的发生会使得射流核心区域温度显著增加,激波与喷管轴线的交点位置向后推移。     

热射流起爆过程的数值模拟

采用改进的化学非平衡流解耦方法处理Euler反应流方程,并以H2/air 9组分21方程模型对竖直喷注的热射流起爆过程进行了二维数值模拟。对流项采用五阶WENO离散格式,时间推进采用二阶Runge-Kutta方法。详细分析了热射流以不同速度、入射位置、入射宽度和入射倾角喷射时在爆震管内形成的流场,总结了射流参数状态影响起爆的一般规律;解释了激波、火焰的相互作用对"热点"的形成以及转变为爆震的影响,特别是激波反射对"热点"形成的促进作用。结果表明,爆震波通常由火焰面和固壁附近狭长未燃区域中的"热点"产生。"热点"向爆震波发展的过程是过驱爆震阶段,存在三波结构。为了实现快速起爆,应当增大射流入射速度、贴近侧壁并以适当入射角度喷射热射流。     

激波诱导异质气体界面失稳的数值模拟

基于二维N-S方程,利用有限差分数值离散方法,对激波诱导异质气体界面失稳的现象进行了数值模拟,与文献中实验结果和计算结果进行了定性比较,并进一步分析了整个流动的非定常动态变化特性和非线性特征.研究表明,本文数值模拟的非定常流场图谱与文献中的实验结果和数值结果吻合较好;数值结果捕捉到了六氟化硫界面的演变过程及流场中复杂的波系结构.     

超声速扩压器中激波串结构的数值模拟

通过求解由BL湍流模型封闭的二维、轴对称及三维雷诺平均N S方程 ,数值模拟了等截面超声速扩压器中由激波 /附面层干扰诱导的复杂流场 ,比较了二维直管、圆截面直管及三维矩形截面直管中的流场特性、激波串长度及压强恢复程度。在来流马赫数为 3 0的二维直管计算中 ,采用四步Runge Kutta显式方法数值仿真了激波串自激振荡过程 ,并与实验结果作了对比分析     

带制退器的膛口流场数值模拟

带制退器的膛口流场是一种具有高度瞬变性、强烈方向性的复杂波系结构流场.采用分块网格划分的整体运动处理方法和基于动态层变方法的结构动网格技术处理弹丸高速运动造成的网格变化,模拟某型带炮口制退器的火炮发射过程中的非定常燃气射流流场,根据数值结果,详细讨论了初始流场、火药燃气流场的形成与发展以及与弹丸的耦合和相互作用过程.数值计算结果可以为炮口制退器的设计与实验提供一定理论指导,为深入研究奠定良好基础.     

超声速欠膨胀冲击射流数值模拟

超声速欠膨胀冲击射流有着重要的实际应用价值,如S/TOVL飞行器、火箭发射、除尘等。其流场结构复杂,包含间断激波、反射激波、马赫盘、滞止泡以及冲击平面传热不同于亚声速冲击射流的特点。为了分析超声速欠膨胀冲击射流流场和传热,采用有限体积法,结合k-l湍流模型以及二阶精度的TVD格式进行数值模拟:对比实验和k-ε湍流模型的努赛尔数,得出k-l湍流模型在传热问题中更具优势;对比阴影图和计算密度云图以及对比冲击平面压力系数的实验值和计算值,验证了k-l湍流模型模拟超声速欠膨胀冲击射流流场的合理性;采用k-l湍流模型研究3种冲击高度(3D,6D,10D),3种压比(2.0,3.4,4.4),3种喷管总温(493 K,591 K,580 K)下,冲击平面温度分布。数值研究结果对分析超声速欠膨胀冲击平面的烧蚀有一定的指导意义。     

合成双射流冲击平板流场结构与模态分解分析

为揭示合成双射流冲击平板流场结构特征,通过大涡模拟方法对合成双射流冲击平板流动进行了仿真,采用有限时间Lyapunov指数方法对流场的拉格朗日涡结构进行了识别,并与欧拉框架下的速度矢量和涡量结果进行了对比分析。结果表明,在合成双射流两股射流交替作用下,射流核心区涡系结构较为复杂且涡量丰富,远离核心区存在一对稳定的涡结构,且拉格朗日涡结构与涡量对应较好,为合成双射流冲击冷却的布局设计提供了指导。另外,流场本征正交分解表明,第一阶模态关于激励器出口中心轴线大致对称,其能量占总体能量的35%,前6阶模态的能量占80%;根据前6阶模态所反映的流场特性,合成双射流冲击平板流场具有高度的对称性。     

等截面隔离段中激波串结构的数值模拟

采用二阶TVD格式的有限体积法偶合Baldwin Lomax代数湍流模型求解雷诺平均Navier stokes方程 ,数值模拟了二维矩形等截面隔离段中的流动现象 ,很好地模拟出由激波 /附面层干扰所形成的复杂的激波串流场结构。计算结果与国外有关文献的结果进行了比较。     

激光重复频率对吸气式多脉冲激光推进冲量耦合系数的影响

针对实验室已有的平顶抛物形喷管,数值模拟了单脉冲激光能量为500J时,不同激光重复频率下的激波流场演化过程,分析了喷管内激波流场对后续脉冲的影响,得到了冲量耦合系数随激光重复频率的变化规律。结果表明:激光重复频率在10～100Hz范围内,冲量耦合系数随频率的增加显著减小;在100～400Hz范围内,冲量耦合系数下降趋势变缓;随着脉冲数目的增多,喷管内气体密度降低,后续脉冲受到之前激波流场影响增大,推进性能降低。     

平面运动激波绕障碍物流动的非结构Euler解

用三角形非结构网格及有限体积法求解Euler方程 ,对运动激波跨越不同截面形状的二维障碍物绕流进行了数值模拟。计算结果给出了不同时刻各流场的复杂结构 ,该结构与实验结果一致。计算表明用非结构算法模拟复杂外形绕流具有简单、准确的特点 ,并能避免尖角处非物理结果的产生     

Modeling and simulation of muzzle flow field of railgun with metal vapor and arc

During the electromagnetic railgun launching process, there will be a complex flow field with high temperature in the muzzle area because of the high-speed friction, transition and secondary arc-ignition. This paper models the muzzle area of railgun when the projectile is far away from the muzzle, and the dynamic simulation of the flow field with secondary arc in the muzzle area is carried out based on the magneto hydrodynamic equations. Meanwhile, a multi-component plasma transport model is used to analyze the muzzle arc plasma flow process of the mixed gas of Al vapor and the air. Furthermore, the pressure boundary conditions are fitted by the dynamic mesh simulation results. The current and voltage of the muzzle are obtained through the emission experiment of the railgun experimental prototype. We load the current data into the simulation model and the voltage of experiments and simulations are compared, which proves the accuracy of the simulation. Then the plasma temperature and the composition of Al vapor in the muzzle flow process are analyzed in-depth.     

用高阶高精度 WENO 格式求解二维激波附面层干扰流场

采用时间相关法求解二维 Navier-Stokes方程 ,数值模拟二维平板层流附面层与激波干扰流场 ,给出了物面压力分布和应力分布。计算中 ,对流项空间导数的差分离散采用高阶高精度 WENO格式 ,时间方向采用具有 TVD性质的 Runge-Kutta方法 ,粘性项采用二阶中心差分。所得压力分布和应力分布与国外实验结果吻合较好 ,计算实践表明高阶 WENO格式具有优异的性能 ,应用前景广阔     

带横向射流的绕后台阶超音速外流场的数值模拟

将一股射流喷入超音速外流是飞行器飞行控制的常用方法。本文通过应用MacCormack 显格式和Ba(?)dwin-Lomax 代数湍流模型求解二维可压缩的RANS 方程,对带横向射流的绕后台阶的超音速外流场进行了数值模拟,并给出了流场的速度向量图、等压线图和等马赫线图。与无喷射的情形相比,台阶底部压力增加了一倍左右。     

Numerical research on adverse effect of muzzle flow formed by muzzle brake considering secondary combustion

The simulation of the artillery interior and intermediate ballistics problem is performed to investigate the influence of a gas dynamics device, muzzle brake, on the muzzle hazard phenomena, such as flash and blast waves. The correlation of the chemical reactions with the characteristics of the muzzle flow field is analyzed by the simulation for a further understanding of the secondary combustion phenom-enon of the muzzle flow. The novel structure of muzzle flow caused by the muzzle brake is presented by the simultaneous solution of the interior ballistics model and multi-species Navier-Stokes equations in order to analyze the influence of the muzzle brake structure on the chemical reactions. The secondary combustion of the muzzle flow due to the oxygen-supplement chemical reactions is obtained by the chemical reaction kinetic model. The interaction of the blast waves released from the muzzle brake is illustrated in detail and the mechanism of the formation of muzzle flash is analyzed. This research provides a reference for the studies on the suppression of the muzzle flash.     

Numerical simulation of base flow with hot base bleed for two jet models

In order to improve the benefits of base bleed in base flow field, the base flow with hot base bleed for two jet models is studied. Two-dimensional axisymmetric Navier–Stokes equations are computed by using a finite volume scheme. The base flow of a cylinder afterbody with base bleed is simulated. The simulation results are validated with the experimental data, and the experimental results are well reproduced. On this basis, the base flow fields with base bleed for a circular jet model and an annulus jet model are investigated by selecting the injection temperature from 830 K to 2200 K. The results show that the base pressure of the annular jet model is higher than that of the circular jet model with the changes of the injection parameter and the injection temperature. For the circular jet model, the hot gases are concentrated in the vicinity of the base. For the annular jet model, the bleed gases flow into the shear layer directly so that the hot gases are concentrated in the shear layer. The latter temperature distribution is better for the increase of base pressure.     

Bioprotection of facilities

The anthrax attacks of 2001 energized research directed toward reducing health consequences from airborne contaminants by augmenting current heating ventilation and air-conditioning (HVAC) systems. Even during peacetime, interest will continue in improving HVAC components to reduce biocontaminants associated with sick building syndrome. Current HVAC design uses numerical simulation methods of ordinary differential equations to predict approximate performance. The authors show that state-space Laplace Transform calculations actually solve the underlying differential equations and yield algebraic expressions that provide new insight. To sharpen the arguments in favor of this methodology, attention is restricted to improving existing HVAC systems to increase protection from an external release of hazardous particulates. By nearly eliminating the need for dynamical simulation, the resulting methods can be applied to far more complex HVAC designs with little additional computational effort. The new methods reduce the time required for computation by three orders of magnitude. These algebraic methods also can be extended to disparate technical problems including internal particulate release, gas masks, and designing new protective buildings.     

数值模拟气/气喷嘴速度比对燃烧性能的影响

为研究应用于全流量补燃循环发动机的不同气/气喷嘴得到的燃烧流场,通过求解NavierStokes方程组,对不同燃料与氧化剂速度比下的流动燃烧过程进行了数值计算,计算结果与实验结果吻合。仿真结果表明:增加速度比能使燃烧火焰面提前,燃烧效率变大。如果发动机的长度受到限制,可以适当增加速度比以实现高效燃烧。     

进气道角度对含硼推进剂固冲发动机性能的影响

为了提高含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒的燃烧效率,采用颗粒轨道模型进行了补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补燃室内简单反应流模型,在该模型下研究了进气道的位置对非壅塞固体火箭冲压发动机燃烧效率的影响,并在此基础上进行直连式试验研究.结果表明,后进气道角度为60°时的燃烧效率比90°时高.     

激波诱导惰性堆积粉尘运动的建模及数值模拟

基于空间平均的双流体模型 ,引入描述颗粒脉动速度的粒化温度 ,建立颗粒相的本构方程 ,将粒化温度模型推广到解决高速流动问题。采用AUSM+ 有限差分法 ,数值模拟激波在一定厚度的惰性粉尘床中传播及诱导粉尘颗粒运动的过程。结果表明 ,粒化温度模型较好地描述了这一过程 ,证实了此模型在处理稠密颗粒高速流动和流场存在强间断中的可行性     

回热循环燃气轮机中回热器的动态特性研究

采用多段集中参数模型对具有分布参数特性的回热器建模,简化了由偏微分方程带来的大量计算.应用Matlab/Simlink软件作为仿真平台,采取数值方法求解,对具体回热燃气轮机中的回热器进行了仿真.结果表明,回热器时间常数较大,在回热循环燃气轮机仿真中回热器的热惯性不能忽略,而且是影响系统平衡稳定性的重要因素.