A Study of Side Loads in Rocket Nozzles during Startup and Shutdown Transients

火箭喷嘴启动和关闭瞬态期间侧向载荷的研究

• 批准号: 12450075
• 负责人: TSUJIMOTO Yoshinobu
• 金额: $ 4.54万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12450075/
• 关键词: Mach Disk; Cap Shock; Free Shock Separation; Restricted Shock Separation; Trapped Vortex; Small step for film cooling; CTP nozzle; Three dimensional CFD; 2次元ノズル; 数値シミュレーション; 超音速風洞実験; 流体振動; 横推力; キャップショック; FSS; RSS

Recently, the large side loads is observed in the latest rocket nozzles during start-up and shutdown transient. The objective of this study is to clarify the mechanisms of producing the side loads. In this study, both experimental and numerical studies are performed. In the numerical studies, both the three-dimensional and two-dimensional simulations are performed. The results of three-dimensional simulations show that the simultaneous occurrence of the Free Shock Separation (FSS) and the Restricted Shock Separation (RSS) produces the large side load. In the two-dimensional simulations, the flow field is replaced with a two-dimensional planer field so that it is possible to observe the asymmetric flow patterns. The results show that the small step for film cooling gives great effect on the side load. At the steps, the separation points are trapped in the certain range of pressure ratio, and rapidly shifts to the nozzle exit at the certa(in press)ure ratio. This shift occurs asymmetrically and it produces the large side load. The experimental studies are performed by using the two-dimensional supersonic nozzles. The results show that the asymmetric flow patterns are produced by the instability of shear layer in the downstream of shock wave. But in two-dimensional nozzles, the flow is separated from sides of the test section, and the affects the separation pattern on the nozzle wall.

最近，在最新的火箭喷嘴中观察到在启动和关闭瞬态期间存在较大的侧向载荷。本研究的目的是阐明产生侧向载荷的机制。在这项研究中，进行了实验和数值研究。在数值研究中，进行了三维和二维模拟。三维模拟结果表明，自由冲击分离（FSS）和受限冲击分离（RSS）同时发生会产生较大的侧向载荷。在二维模拟中，将流场替换为二维平面场，以便可以观察不对称的流型。结果表明，较小的气膜冷却步长对侧向载荷的影响很大。在台阶处，分离点被限制在一定的压力比范围内，并在一定的压力比下迅速转移到喷嘴出口。这种转变是不对称发生的，并产生较大的侧向载荷。实验研究是利用二维超声速喷管进行的。结果表明，非对称流型是由激波下游剪切层的失稳性产生的。但在二维喷嘴中，流体从测试部分的侧面分离，并且影响喷嘴壁上的分离图案。

项目成果

森田良, 米澤宏一, 横田和彦, 辻本良信, 坂爪則夫: "2次元CFDによるロケットノズルに生じる非定常横推力に関する研究"日本機械学会関西支部第76期定時総会講演会講演論文集. 014-1. 13-5-13-6 (2001)

Ryo Morita、Koichi Yonezawa、Kazuhiko Yokota、Yoshinobu Tsujimoto、Norio Sakazume：“利用二维 CFD 对火箭喷嘴中产生的非定常横向推力进行研究”日本机械工程学会关西分会第 76 届普通大会论文集。 014-1 .13-5-13-6 (2001)

米澤宏一, 横田和彦, 渡邉泰秀, 坂爪則夫, 辻本良信, 安部隆士: "ロケットノズルに生じる横推力"日本機械学会関西支部第77期定時総会講演会講演論文集. 024-1. 10-9-10-10 (2002)

Koichi Yonezawa、Kazuhiko Yokota、Yasuhide Watanabe、Norio Sakazume、Yoshinobu Tsujimoto、Takashi Abe：“火箭喷嘴中产生的横向推力”日本机械工程师学会关西分会第 77 届普通大会论文集 024-1。 10-9-10-10 (2002)

Koichi YONEZAWA, Kazuhiko YOKOTA, Yoshinobu TSUJIMOTO, Norio SAKAZUME, Yasuhide WATANABE: "Three Dimensional Unsteady Flow Simulation of Compressed Truncated Perfect Nozzles"AIAA Paper. 2002-1251 (2002)

Koichi YONEZAWA、Kazuhiko YOKOTA、Yoshinobu Tsujimoto、Norio SAKAZUME、Yasuhide WATANABE：“压缩截断完美喷嘴的三维非定常流动模拟”AIAA 论文。

米澤宏一, 横田和彦, 辻本良信, 坂爪則夫: "ロケットノズルに生じる横推力に関する3次元非定常CFD"第10回スペース・エンジニアリング・コンファレンス講演論文集. 01-68. 35-41 (2002)

Koichi Yonezawa、Kazuhiko Yokota、Yoshinobu Tsujimoto、Norio Sakazume：“火箭喷嘴产生的横向推力的三维非定常 CFD”第 10 届空间工程会议论文集 01-68（2002 年）。

Koichi YONEZAWA, Kazuhiko YOKOTA, Yasuhide WATANABE, Yoshinobu TSUJIMOTO, Takashi ABE: "2-D Numerical simulation of Side Loads in Rocket Nozzles"Proceedings of 23rd International Symposium on Space Technology and Science, ISTS-e-27.

Koichi YONEZAWA、Kazuhiko YOKOTA、Yasuhide WATANABE、Yoshinobu TSUJIMOTO、Takashi ABE：“火箭喷嘴侧载荷的二维数值模拟”第 23 届空间技术与科学国际研讨会论文集，ISTS-e-27。