火箭发动机喷焰三维流动与光热辐射效应研究

发布时间：2020-07-26 21:23

【摘要】：本文针对火箭发动机喷焰红外探测和基底辐射加热两类工程应用需求,围绕喷焰三维流动与光热辐射效应研究主题,通过开展喷焰三维流动、辐射建模与算法研究,建立通用型的喷焰辐射信号和喷焰辐射基底加热模型与算法,分析获得三维效应对喷焰流动、辐射信号、基底加热、红外可探测性等问题的影响规律,从而为相关的工程应用提供模型和数据支持。发展了气动绕流与喷焰流动相互耦合的计算分析模型,研究并明确三维喷焰流动的典型特征及产生机制。从飞行条件下发动机喷焰流动与气动绕流相互耦合的问题出发,构建弹体绕流与喷焰耦合流动计算分析模型,考虑了复杂边界类型及状态、绕流和喷焰波系结构、复燃化学反应、粒子非平衡效应等。在耦合模型中,气动绕流和喷焰流动的波系结构采用k-ε-Rt三方程湍流模型和高精度TVD数值格式进行模拟;复燃化学反应采用多组分混合流动和有限速率化学反应进行模拟;粒子非平衡效应采用等效连续相模型进行处理;复杂边界条件则采用远场边界模型进行处理。结合喷焰流动的发动机系留实验以及公开文献数据,对计算模型进行校验分析。针对喷焰流动的典型状态、复燃化学反应、气动喷焰耦合和多喷管流动三维分布特性等进行了较详细的计算和分析。分析结果表明复燃化学反应和三维状态使喷焰流动的温度分布和组分分布产生显著的变化,进而对与此相关的喷焰底部加热效应、喷焰辐射效应等也会产生明显的影响。建立了基于窄带模式的三维喷焰辐射特性算法,发现并分析了喷焰三维效应对辐射特性的影响规律。基于高温气体、粒子的辐射、散射传输理论,对液体火箭发动机产生的燃气喷焰,或者燃气与炭黑颗粒混合的喷焰辐射问题,采用窄带模型结合视光线法可实现喷焰辐射信号可靠计算。对固体火箭发动机产生的气固两相喷焰辐射物性参数、辐射传输计算,提出了基于辐射分裂思想的蒙特卡洛法求解方案;对于喷焰基底辐射加热问题,将合并窄带k分布模型与反向蒙特卡洛法相结合,给出了基底辐射加热反向蒙特卡洛算法,以此提高计算效率;利用国外公开数据以及实验室火焰测量数据,对计算模型进行校验分析。基于该模型,对轴对称喷管喷焰辐射与高度相关的光谱特性、谱段能量特性以及空间分布特性规律,多喷管喷焰辐射信号的三维效应,喷焰辐射基底加热的三维效应进行了分析研究,得到了发动机喷焰红外辐射随高度、谱段的变化规律。为了分析复杂地球大气背景红外辐射对飞行状态的发动机喷焰可探测性影响,基于JHU地物光谱数据库,分析植被、水体、岩石等地物光谱辐射特性,建立基于光谱相关性的地表辐射波段转换模型。利用MODIS遥感数据产品和MODTRAN软件,模拟不同探测条件的地球大气背景辐射红外图像。根据传感器的探测视角,将发动机喷焰辐射与背景辐射进行红外光谱叠合,生成喷焰与背景红外辐射图像。从图像质量的角度出发,确定信息熵、方差和信杂比等图像质量评价参数,分析喷焰的可探测性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V430
【图文】：

框图,框图,内容结构

图１．１主要研究内容结构框图逡逑

有限体积,微团

由于积分方程固有的守恒性允许存在间断解，能够较好地捕捉超声速流动逡逑的激波状态，能够有效进行喷焰流动的模拟计算。逡逑对图２．１所示微团控制体，对控制方程进行积分，可以获得积分形式的Ｎ－Ｓ逡逑方程为：逡逑－＼＼＼ＱｄＶ邋＋邋＾（Ｆ邋＋邋Ｇ）ｎｄＳ邋＝邋０逦（２．１９）逡逑亡’邋ｎ逦ｒ逡逑其中Ｆ邋＋邋Ｇ为矢通量，表示无黏通量（６邋＋邋６邋＋邋６）与黏性通量（Ｇ，邋＋Ｇ２邋＋邋Ｇ３）逡逑的和，《为单元体表面外法向单位矢量，是控制单元的体积，ｒ为控制单元逡逑的表面积。逡逑１６逡逑

喷焰,耦合流动,绕流

本文将飞行器气动绕流和喷焰流动相互耦合，建立气动喷焰耦合计算模逡逑型。逡逑考虑气动绕流和喷焰流动的耦合状态如图２．２所示。从气动绕流和喷焰流逡逑动的典型特性出发，在耦合流动中包含复杂的边界状态、气动绕流和喷焰流动逡逑的波系结构、复燃化学反应、粒子非平衡效应等。在耦合模型中，气动绕流和逡逑喷焰流动的波系结构采用前述适用于这类耦合流动的三方程湍流模型逡逑和高精度ＴＶＤ数值格式进行模拟；复燃化学反应采用多组分混合流动和有限速逡逑率化学反应进行模拟；粒子非平衡效应采用等效连续相模型进行处理；复杂边逡逑界条件则采用如下不同边界模型进行处理。逡逑自由逦弹体底部逡逑来流逦燃烧室喷管邋＼逦逡逑一邋＾弹体表面逦＼：邋＼逡逑一＜＾逦Ｉ＇逦喷焰流动逡逑一＾逦逦逦逡逑—？逡逑图２．２气动绕流与喷焰耦合流动示意逡逑（１）

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