关于脉冲推进喷管的数值的研究.pdfVIP

第十一届全国激波与激波管学术会议 关于脉冲推进喷管的数值研究 朱雨建邓博吕俊明李辉煌梁宗宪杨基明 (中国科学技术大学力学和机械工程系，安徽合肥，230027) 摘要：本文发展了基于非结构四边形自适应网格CFD程序，对目前处于研究中的两种典型的脉冲推进构想 ——激光推进和脉冲爆轰推进，进行了单脉冲工作情况下流场及喷管对整体推进性能影响的研究。其中激光 推进以点爆源代替激光汇聚产生的等离子爆轰，研究了不同的喷管形状对冲量耦合系数及推力的作用规律； 爆轰推进则在程序中加入有限速率基元化学反应的模型，通过对铃形、锥形和喇叭形三种典型喷管进行算例 分析，结果表明，铃形喷管相对来说能提供更大的冲量，但却不一定获得最高比冲。 —▲』--jb 目Ij舂 从第一架飞机的诞生到21世纪的今天，世界航空航天技术已经得到了极大的发展，大受 其裨益的人们仍在尝试去获得更为优秀的推进系统。航空领域，涡轮喷气发动机的发展已经 达到相当高的水平，涡喷飞行的速度和效率已经几乎发展到极限，要使得飞行器的性能得到 更大的飞跃性的提高，就必须发展出新概念的推进器；以热效率高、结构简单、工作范围广 为特点的的脉冲爆轰推进成为其中的重要的一支，脉冲爆轰推进利用单端封闭腔内非定常、 脉冲式爆轰波所诱导高温高压气体来产生推力。而在航天领域，运载火箭迄今仍是把卫星等 载荷送入太空的近乎唯一的选择，但其推进剂的重量占运载器总重量的90％以上，有效载荷 仅占1％左右，而受推进剂化学能的限制，其推力很难提高，且发射成本昂贵，重复使用困 难；20世纪70年代提出的激光推进是一种全新推进模式，它利用地面激光装置远距离向飞 行器传输激光能量加热推进剂，使其温度急剧升高形成高温等离子体，利用膨胀的等离子体 沿喷管超音速喷出并产生推力，其主要优点是飞行器本身无需携带推进能源。 与火箭推进与涡轮喷气式推进不同的是，激光推进和脉冲爆轰推进乃是利用高频的爆炸 或爆轰来推进飞行器。爆炸爆轰这样的瞬态能量释放所诱导的高温高压气体直接排入大气会 是一种能量的浪费，因此利用合适的喷管来提高能量的利用率是必须和重要的。原则上，当 喷管实现成出El压力与环境压力相等时其效率最高，然而对于具有很强非定常性的脉冲推进 过程来讲，这一要求是无法得到满足的，而且建立在定常流动基础上的比较成熟的喷管设计 的理论与概念也已不再适用。本文以数值计算为手段试图给此类用于强非定常流的喷管的设 计提供一些有价值的建议。对于激光推进，我们初步探索了飞行器形状、位置及激光能量对 冲量耦合系数及推力的作用规律；而对于脉冲爆轰推进，我们主要从推力和比冲的角度研究 了三种不同形状喷管的整体推进性能。 数值方法 SchemeforConservation 本文计算程序采用的MUSCL(MonotonicUpstream—Centered Laws)格式，该方法建立在良好的物理基础上，单调守恒，收敛于物理解。 算例全部为轴对称模型，考虑化学反应，主控Euler方程如下： 塑+坚+塑l一1 -{-S：Q 一+一+一一= 研。ax ar r pu 1 ∥ 1 priu pZV l 2 l “ F= l，“2 O=∥v l，s= 其中：p= pu’+P ， l puv ∥。 p蹦伽肌￡