发动机真空羽流导流力热效应的CFD/DSMC耦合仿真及试验研究
发布时间：2021-08-02 22:31
起飞器在地外天体表面起飞时,发动机在近真空环境下喷出的急速膨胀的高温高速羽流,会对起飞平台造成冲击并诱发振动,同时也会对起飞器产生力、热综合效应,形成起飞器起飞的扰动载荷,影响起飞的精度和姿态,关系到起飞任务的成功。为了尽可能降低羽流对起飞器的影响,需要在起飞平台上设置羽流导流装置,不同的导流装置型面会产生不同的导流效果。由于发动机喷管距起飞平台的距离较近,而真空下羽流又具有迅速膨胀的特性,同时羽流冲击起飞平台时会产生正激波,如果其距离喷管的出口较近或进入喷管内,就可能会对喷管造成堵塞,喷管出口的压力升高,马赫数降低,直接导致喷管的推力大幅度下降,从而对起飞器的稳定起飞带来较大影响。本文建立了CFD/DSMC耦合方法,通过对不同导流型面的力、热效应进行数值仿真,在起飞器和起飞平台之间的有限空间内,设计合理的导流型面的导流装置来降低上述影响,为起飞器的安全起飞研究提供理论依据。主要工作包括以下几个方面:（1）将发动机真空羽流分为连续流区域和非连续流区域,在喷管出口附近的羽流场,建立了基于N-S方程的计算流体力学（CFD）连续流模型,在此基础上,根据当地Kn数确定连续流和稀薄气体流的分界面...
【文章来源】：北京理工大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究进展和发展趋势
1.2.1 羽流流场研究现状
1.2.2 真空羽流流场计算方法
1.2.3 真空羽流试验
1.2.4 发展趋势及研究重点
1.3 本文主要研究内容
1.4 论文结构和章节内容安排
第2章 真空羽流导流流场数值方法研究
2.1 CFD数值计算方法
2.1.1 发动机热力学计算
2.1.2 多组分气体输运方程
2.1.3 控制方程
2.1.4 计算网格
2.1.5 边界条件的数值处理
2.2 DSMC数值计算方法
2.2.1 计算步骤
2.2.2 计算网格处理
2.2.3 分子运动轨迹跟踪
2.2.4 边界条件
2.2.5 分子碰撞的模拟方法
2.3 CFD/DSMC耦合计算方法
2.3.1 连续流和离散流分界面判定方法
2.3.2 分界面流场参数传递方法
2.4 本章小结
第3章 真空羽流导流流场计算方法验证
3.1 网格模型确定
3.2 计算方法验证
3.3 Apollo羽流流场仿真验证
3.3.1 仿真工况
3.3.2 发动机性能参数
3.3.3 仿真结果与分析
3.4 本章小结
第4章 平板导流羽流流场研究
4.1 羽流冲击流场与自由流场研究
4.2 平板导流计算模型
4.3 平板导流流场分析
4.3.1 仿真工况
4.3.2 仿真结果与分析
4.4 羽流对起飞器和导流平台的力效应分析
4.4.1 羽流对起飞器X向合力
4.4.2 羽流对起飞器Y轴合力矩
4.4.3 羽流对导流平台X向合力
4.4.4 羽流对导流平台Y轴合力矩
4.5 本章小结
第5章 真空羽流导流型面优化研究
5.1 内凹槽导流型面研究
5.1.1 仿真工况
5.1.2 流场分析
5.1.3 羽流对起飞器和导流平台的力效应分析
5.2 锥面导流型面研究
5.2.1 仿真工况
5.2.2 流场分析
5.2.3 羽流对起飞器和导流平台的力效应分析
5.2.4 锥面半径对导流效果影响研究
5.3 不同导流型面导流效果研究
5.4 本章小结
第6章 真空羽流导流试验研究
6.1 试验方案
6.1.1 试验目的
6.1.2 试验方法
6.1.3 试验设备
6.2 试验结果与讨论
6.2.1 不同导流型面导流效果分析
6.2.2 导流面与喷管出.不同距离导流效果分析
6.3 试验数据与仿真结果对比
6.4 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 本文研究总结
7.2 本文创新点
7.3 进一步工作展望
参考文献
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢
本文编号：3318387
【文章来源】：北京理工大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究进展和发展趋势
1.2.1 羽流流场研究现状
1.2.2 真空羽流流场计算方法
1.2.3 真空羽流试验
1.2.4 发展趋势及研究重点
1.3 本文主要研究内容
1.4 论文结构和章节内容安排
第2章 真空羽流导流流场数值方法研究
2.1 CFD数值计算方法
2.1.1 发动机热力学计算
2.1.2 多组分气体输运方程
2.1.3 控制方程
2.1.4 计算网格
2.1.5 边界条件的数值处理
2.2 DSMC数值计算方法
2.2.1 计算步骤
2.2.2 计算网格处理
2.2.3 分子运动轨迹跟踪
2.2.4 边界条件
2.2.5 分子碰撞的模拟方法
2.3 CFD/DSMC耦合计算方法
2.3.1 连续流和离散流分界面判定方法
2.3.2 分界面流场参数传递方法
2.4 本章小结
第3章 真空羽流导流流场计算方法验证
3.1 网格模型确定
3.2 计算方法验证
3.3 Apollo羽流流场仿真验证
3.3.1 仿真工况
3.3.2 发动机性能参数
3.3.3 仿真结果与分析
3.4 本章小结
第4章 平板导流羽流流场研究
4.1 羽流冲击流场与自由流场研究
4.2 平板导流计算模型
4.3 平板导流流场分析
4.3.1 仿真工况
4.3.2 仿真结果与分析
4.4 羽流对起飞器和导流平台的力效应分析
4.4.1 羽流对起飞器X向合力
4.4.2 羽流对起飞器Y轴合力矩
4.4.3 羽流对导流平台X向合力
4.4.4 羽流对导流平台Y轴合力矩
4.5 本章小结
第5章 真空羽流导流型面优化研究
5.1 内凹槽导流型面研究
5.1.1 仿真工况
5.1.2 流场分析
5.1.3 羽流对起飞器和导流平台的力效应分析
5.2 锥面导流型面研究
5.2.1 仿真工况
5.2.2 流场分析
5.2.3 羽流对起飞器和导流平台的力效应分析
5.2.4 锥面半径对导流效果影响研究
5.3 不同导流型面导流效果研究
5.4 本章小结
第6章 真空羽流导流试验研究
6.1 试验方案
6.1.1 试验目的
6.1.2 试验方法
6.1.3 试验设备
6.2 试验结果与讨论
6.2.1 不同导流型面导流效果分析
6.2.2 导流面与喷管出.不同距离导流效果分析
6.3 试验数据与仿真结果对比
6.4 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 本文研究总结
7.2 本文创新点
7.3 进一步工作展望
参考文献
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢
本文编号：3318387
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