轴对称喷管推力特性的计算

一、前言 航天航空工程中广泛应用轴对称超音速喷管。为了提高喷气推进的性能,各国都很重视对轴对称超音速喷管的研究,以期获得尺寸、重量小,性能良好的结构。为了节省实验研究的工作量,本文试图用理论计算的方法对喷管的推力特性进行估算,为试验选型提供一些数据。为了估算喷管的推力,我们把喷管内的流场分为主流与边界层二个区,主流区的流动用无粘流模型进行计算,邻近壁面的边界层则用边界层理论进行计算。最后根据喷管出口截面上气流的压强、密度和流速分布,求出喷管的推力。     

轴对称喷管壁面边界层差分计算方法

一、轴对称喷管边界层基本方程 为了较精确地估算轴对称喷管的推力特性,有必要考虑喷管壁面边界层对推力的影响。基于计算叶栅损失系数的经验(参见文献[1]),我们拟采用类似的方法来计算轴对称壁面的边界层。对于轴对称物体,比较方便的是采用圆柱坐标系r、θ、z。但对于边界层的计算宜采用下述正交曲线坐标。 取x坐标沿喷管壁面在子午面的剖面线方向,且沿流动方向为正。y坐标垂直于喷管壁面。还有一个仍取θ坐标。则连续方程为     

环形HYLTE喷管耦合段及光腔区流场的数值模拟

参考传热学相关理论,估算燃烧室的传热损耗分数及相应的平衡温度,确定了主喷管的入口参数设置。在此基础上,对环形HYLTE喷管的耦合段及光腔区流场进行3维的数值模拟,给出了F原子质量分数、静温、静压的空间分布,得到了光腔区各支谱线的小信号增益系数变化曲线。将计算结果与实验结果进行比对,光谱测量结果及移动光轴实验证实了计算模型的合理性。     

收扩喷管非平衡凝结流动的数值模拟

跨音速流动中的非平衡凝结导致潜热的释放和液滴的自发凝结过程。通过将N-S方程与凝结控制方程耦合求解的方法,在不同落压比不同初始相对饱和度条件下,对收扩喷管中的凝结流动进行了数值模拟。结果表明:在收扩喷管的高速膨胀流动中,冷却速率越大,成核率越高。凝结潜热的释放使流场的总温升高,流量减少,音速线后移。     

VICON程序模拟氧碘化学激光器3维喷管流场的可行性探讨

 用VICON程序对化学氧碘激光器(COIL)喷管冷流场进行了3维模拟,得出的计算区几何较准确地反映了模拟装置的几何变化。主气流方向和副气流方向的分点数反映出了此2维平面内的气动特性,对不同流量的模拟结果对比分析得出穿透过度与穿透不够一样,致使主副气流混合不好。对带化学反应的情况进行了模拟,显现出副气流从喷孔出来后穿进主气流的马蹄形结构的变化过程,这些说明VICON程序可用来模拟研究COIL喷管流场特性。     

二元喷管射流的数值计算

本文应用一种“换算法”,计算了二元喷管射流流场,此法将轴对称射流的流动特性通过换算系数进行换算,即可得到非轴对称射流的流动特性。应用此法得到的数值结果与实验数据吻合较好,本文还对二元喷管射流温度场与轴对称喷管射流温度场进行了比较,取得了一些重要的结论。     

CAS压气机跨声速流场主流-边界层准三元迭代解

本文在S_2/S_1流面准三元迭代的基础上,建立了S_1流面和S_2流面的主流-边界层迭代汁算方法,以及S_2/S_1流面之间的无粘-粘性准三元迭代系统,首次完成了跨声速压气机流场的中心S_2流面和六个S_1流面之间的主流-边界层迭代计算,得到了无粘-粘性准三元迭代解.本文为进行跨声速压气机流场无粘-粘性准三元迭代提供了工程实用的计算方法,扩大了两类流面理论在叶轮机械粘性流动计算中的应用.     

大型望远镜消旋K镜准直技术研究

针对2m地平式望远镜像方视场旋转问题设计了消旋K镜装置。根据K镜系统的几何光学传递特性,推导K镜消旋数学矩阵模型;利用光线追迹方法,拟合了望远镜入瞳坐标与Coude焦点坐标的转换关系,分析入射光经过Coude光路后的视场旋转与望远镜方位轴、俯仰轴旋转的换算规律,从而计算得出望远镜消旋K镜的初始零位及旋转规则;针对K镜的准直性问题,通过对其旋转过程K轴与主光路偏离误差周期性变化特性的分析,设计了基于帕斯卡窝线理论的K镜准直装调策略,将复杂的准直装调问题转化为数学方程参数修正问题,并建立K镜准直精度与帕斯卡窝线方程中关键参数的计算模型;开展了K镜准直装调实验,在准直装调过程中反复修正模型中关键参数,使误差曲线不断趋近最优值。实验结果验证了本文所做研究的有效性及正确性。     

以压力为主变量求解喷管内的气体流动

一、引言 以压力为主变量求解气体流动问题的计算方法,早在七十年代,Hirt就证明是一种可有效地用于全马赫数的流动问题。但是由于一些技术上的困难,以压力为主变量的方法主要限于求解不可压的低速流动问题。本文将作者原有的非正交坐标下的,以压力为主变量求解不可压缩流动问题的计算方法和程序进行了改进。通过在动量方程中采用混合张量的形式而提高了计算的精度和稳定性,并通过在压力修正方程中隐式地引入密度的影响而将计算方法推广到用于求解可压缩流动问题。采用这种方法对两种喷管内的流动进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果是令人满意的。     

非正交曲线坐标粘性三维跨音流动有粘无粘迭代解法

本文成功地发展了一种三维跨音粘性流动的无粘有粘迭代解法。推导出了非正交曲线坐标形式的三维势函数方程与相应的两类流面通用的边界层微分方程。无粘区采用了三维直接解法。利用有粘区与无粘区交界的信息传递进行迭代求解出三维粘性流场的解。用这种方法来计算透平机械的内部三维粘性流动的实例,可以获得流动的主要特性。文中作了几个实例的计算,结果表明这种方法是合理而满意的。     

非正交曲线坐标下三维粘性流动数值分析

本文基于非正交曲线坐标与相应的非正交速度分量下导得的守恒型N—S方程，讨论了求解三维粘性流动的数值方法，计算中显式时间推进算法与Baldwin—Lomax湍流模型被采用，应用本工作发展的程序，作为算例计算了一个沿径向非等截面环形叶栅的三维粘性流场，得到了诸如三维压力分布，总压损失分布以及十分清晰的二次流动图景等丰富的流场信息。     

跨音速轴流压气机级三维粘性流场全工况数值模拟

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解跨音速轴流压气机级内部流场及全工况特性。该方法以LU-SGS-GE隐式格式和MUSCL TVD迎风格式为基础,结合壁面函数方法和简单的混合长度湍流模型,对三维可压缩雷诺平均Navie-Stokes方程进行求解。叶列间参数的传递采用混合平面方法并应用了微机网络并行计算技术。计算得到了NASA 37号低展弦比、跨音速轴流压气机级70％设计转速下的全工况性能曲线,并重点分析了其中一些典型工况下的内部流场。计算与实验结果的对比表明此方法能快速得到三维粘性流场的流动特性且计算精度较高,可用来模拟跨音速轴流压气机级内的全工况三维粘性流动。     

自由旋涡气动窗口全流场的数值模拟

建立自由旋涡气动窗口全流场仿真模型,对大密封压比气动窗口的全流场展开数值研究,得到自由旋涡气动窗口的流场结构,发现大密封压比气动窗口形成的自由旋涡射流在光束输出通道内无明显的波系结构.根据模拟结果对自由旋涡气动窗口的性能进行优化,对自由旋涡喷管上壁面型线进行二次粘性修正.优化自由旋涡射流场后,激光器输出光束通道内压力分布稳定上升;增加扩压器外端壁吹气1.19MPa、内端壁吹气1.68MPa时,自由旋涡射流总能提高,气动窗口密封压力从37.5torr降低至6torr.该研究结果对自由旋涡气动窗口技术的发展具有参考意义.     

头相关传输函数的低频特性

提出了一种对测量得到头相关传输函数(HRTF)的低频特性进行修正的方法.通过头部的刚球模型对HRTF的低频特性进行分析,证明了无论对远场或近场HRTF,大约在400 Hz以下,其幅度趋于恒定,而相位接近线性.因而只要通过实验测量得到400 Hz以上的HRTF特性,即可采刚理论的结果对其进行修正.理论计算和主现实验证明,所提出的方法是切实可行的.     

T型通道内阵列缝隙弱抽吸流动实验研究

以T型通道为基本模型,考查其交接面处安装横向阵列叶片作用下的支流的湍流流场。采用粒子图像速度场仪(PIV),对不同主流速度和抽吸比工况下支流下游流场进行了实验测量,通过对粒子图像计算处理得到了支管中心截面在不同实验工况下的瞬态矢量-速度云图及瞬态涡量-流线云图。所考察的主流速度范围是30.0~50.0 m/s,速度比的范围是0.08~0.18。实验观察到在T型通道支路靠近上壁面一侧存在与支路气流方向相反的回流流动,并产生了明显的旋涡串现象,该区域速度较小且回流区的范围超过一半流道面积;顺流高速区主要位于支管下壁面附近;主流速度和抽吸比较大时支管流动较为均匀.     

气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性研究

提出了一种考虑碳烟颗粒的气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法,首先对气氧煤油发动机纯气相内流场进行计算,然后以喷管喉部作为气体和固体碳烟颗粒的入口边界计算发动机尾焰流场,最后以发动机流场参数分布为基础,采用有限体积法和伪气体理论对发动机尾焰红外辐射特性进行计算。进行了气氧煤油发动机点火实验,并将计算结果与实验结果进行对比分析。结果表明,燃烧室内两个压力测量点的测量与计算误差分别为1.4%和3.4%,燃烧室内计算温度与热力学计算误差为2.16%,证明了燃烧室流场计算模型的准确性。含有碳烟颗粒的尾焰流场计算结果与热像仪测量结果比较吻合,证明了尾焰流场计算方法和模型的准确性。4.3 μm波段尾焰红外成像计算结果与工作在4.3 μm波段的红外热像仪测量结果吻合比较一致,证明了尾焰红外辐射特性计算方法和模型的准确性。     

rGFM和level-set方法在水柱群和喷管流场计算中的应用

计算平面运动激波和水柱群相互作用以及喷管流场.在Descartes网格中利用level-set方法分别追踪气/水和气/固界面,采用rGFM方法处理气/水和气/固界面边界条件.将喷管内壁简化为气/固界面并施加固壁边界条件,内壁型线数据拟合采用三次样条插值.采用5阶WENO格式分别求解Euler方程、level-set方程和界面重新初始化方程.给出激波和水柱群相互作用流场密度纹影图和指定点p-t曲线以及喷管流场压力、密度云图和速度场.改进界面法线确定方法可提高Riemann问题构造精度.可分辨运动激波和水柱群作用产生的复杂激波波系,表明激波在各水柱界面的透射和反射、在列和行水柱界面的多次反射和透射.水柱群下游区域的激波波后压力下降,表明激波加热水柱群附近气流和反向运动的反射激波造成了激波衰减.喷管流场数值解和理论解相符.     

飞片加载产生正弦冲击波及其波阵面演化模拟

飞片加载冲击波小扰动实验方法是目前测量高温高压下物质粘性的实用方法之一针对飞片碰撞小扰动实验,采用二维Navier-Stokes方程的差分方法,研究了金属铝中复杂压力流场的演化过程,给出了这类特定冲击波流场中正弦形扰动振幅振荡衰减特性与粘性系数之间的定量关系.结果表明:数值解比以往用于分析冲击波小扰动实验的解析解结果更...     

使用非正交曲线坐标与非正交速度分量轴流式压气机转子三元跨声速流场势函数方程人工可压缩性——近似分解因式解

本文运用张量方法,推导出使用非正交曲线坐标与非正交速度分量的三元散度形式的势函数方程,并构造了用于求解这一方程所描述的叶轮机械内部三元跨声速流场的人工可压缩性——近似分解因式格式.文中,用本文方法所编排的计算机程序对DFVLR单级轴流式压气机转子三元跨声速流场进行了计算.计算结果表明:本方法计算稳定、收敛迅速、计算结果与实验结果基本一致.     

碘喷孔位置的变化对激光性能的影响

在主、副气流流量不变的情况下,仅改变氧碘化学激光器中碘喷孔的位置,数值模拟了其混合气体流场特性和小信号增益分布等的变化.计算结果表明,碘喷孔在喷管叶片上的位置沿气流方向往下游移动,混合状况变差,光腔中小信号增益降低,输出功率减小,饱和光强沿气流方向的衰减变得平缓.