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超声速引射器的数值模拟方法及其引射特性研究

刘化勇  
【摘要】: 高能化学激光武器(HECL)作为一种高技术新概念武器,有着其它武器无可比拟的优点。压力恢复系统(PRS)是高能化学激光武器的重要部件之一,研究高性能压力恢复系统对激光武器的一体化设计有重要的意义。高能化学激光武器使用的压力恢复系统有三种:真空机组加真空罐的压力恢复系统、引射式压力恢复系统、低温吸附泵压力恢复系统。引射式压力恢复系统已被成功应用于多种作战平台的高能化学激光武器,它结构简单,可重复使用,能满足大功率化学激光武器长时间工作的需求。 高能化学激光武器系统的体积、尺寸对其承载平台的依赖性很强,尤其是在较高的环境压力下,以直升机或地面车辆为承载平台的化学激光武器系统需要安装具有高引射效率、高可靠性、小尺寸的压力恢复系统,这对压力恢复系统的设计提出了很高的要求。超声速引射器是引射式压力恢复系统的核心部件,它的性能和尺寸是决定压力恢复系统设计成败的关键因素。长期以来,超声速引射器的设计依赖于理论计算和试验。随着计算机技术的发展,计算流体力学在超声速引射器的设计和性能研究方面得到了广泛的应用,它可以在相对较短的时间内完成流动参数的分析研究,提供流场的详细特征,弥补理论计算和试验的不足。 本文围绕超声速引射器的小型化设计,建立超声速引射器的数值模拟方法和计算软件,对影响超声速引射器小型化的一些重要因素进行初步的探索性研究,着重研究超声速引射器特性的流动参数和几何参数影响规律,多喷嘴超声速引射器的流场结构及引射性能,增强混合型喷嘴超声速引射器流场结构及引射性能。 全文共分为七章: 第一章简要介绍超声速引射器的研究背景;回顾了国内外有关超声速引射器及相关技术的发展和研究现状;介绍本文所做的主要工作。 第二章详细介绍本文使用的数值方法,主要包括控制方程、湍流模型、数值格式、隐式方法和边界条件等。通过八个典型算例的计算来验证数值方法和计算程序的可靠性和准确性。 第三章主要介绍并行计算方法,包括并行计算机、并行程序设计、负载平衡算法和并行通讯机制、并行隐式算法。通过两个简单算例的计算来验证并行计算方法和并行程序的可靠性和准确性。 第四章介绍了超声速引射器的基本概念及一维理论模型;研究了超声速引射器的数值模拟方法,重点考察湍流模型及可压缩修正在超声速引射器流场计算中的性能表现,通过计算结果和试验结果的对比,对湍流模型及可压缩修正进行筛选;研究超声速引射器特性的流动参数和几何参数影响规律,分析超声速引射器的流场结构和流动现象,找出制约引射器小型化的主要因素。 第五章分析了多喷嘴超声速引射器的流场结构,研究了喷嘴数目对超声速引射器特性的影响规律,就单喷嘴、多喷嘴及并联单喷嘴引射器的引射特性进行了对比研究。通过这些研究工作,了解多喷嘴引射方式的引射机理及它对超声速引射器小型化的贡献大小。 第六章分析了开缝喷嘴超声速引射器的流场结构,研究了喷嘴缝隙尺寸对超声速引射器性能的影响规律,就改型开缝喷嘴的引射性能进行了初步研究。通过这些研究工作,了解开缝喷嘴的增强混合效果,为它在超声速引射器小型化方面的应用奠定基础。 第七章是结束语。阐述了论文的主要成果和创新点,并对未来的工作进行了展望。


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