2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——火箭燃燒室內(nèi)氣流模擬研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共15分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.火箭燃燒室內(nèi)的流動通常被認為是（）。A.低速不可壓縮流動B.高速可壓縮流動C.無粘性層流流動D.靜態(tài)等溫流動2.在進行火箭燃燒室CFD模擬時，選擇非定常求解器通常是為了（）。A.提高計算速度B.處理可壓縮流動C.模擬燃燒不穩(wěn)定或周期性流動現(xiàn)象D.處理高度粘性流體3.對于火箭燃燒室壁面附近的流動，通常需要采用（）。A.網(wǎng)格無關(guān)的網(wǎng)格密度B.盡可能粗大的網(wǎng)格以減少計算量C.在壁面附近使用精細網(wǎng)格（如邊界層網(wǎng)格）來準確捕捉梯度D.避免使用壁面網(wǎng)格以簡化計算4.以下哪種湍流模型通常更適合模擬靠近壁面的低雷諾數(shù)流動？（）A.標準k-ε模型B.RNGk-ε模型C.SSTk-ω模型D.低雷諾數(shù)k-ω模型5.在火箭燃燒室模擬中，設(shè)定出口邊界條件時，通常需要指定（）。A.壓力出口或質(zhì)量流量出口B.速度出口或溫度出口C.壁面溫度和熱流D.燃料和氧化劑的具體化學(xué)成分二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.火箭燃燒室中，高速氣流與燃料/氧化劑混合物發(fā)生燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動火箭前進。這一過程的核心物理基礎(chǔ)是__________定律和__________定律。2.在CFD模擬中，為了保證數(shù)值解的準確性，必須滿足__________條件，即當網(wǎng)格加密時，計算結(jié)果應(yīng)收斂到精確解（如果存在）。3.燃燒室壁面附近的薄層區(qū)域，存在顯著的溫度和速度梯度，該區(qū)域被稱為__________。4.對于包含化學(xué)反應(yīng)的燃燒室模擬，除了流體力學(xué)方程外，還需要耦合__________模型來描述燃燒過程。5.激波是高速燃燒室中常見的現(xiàn)象，它是一種__________，會導(dǎo)致流場參數(shù)發(fā)生劇烈變化。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述選擇計算域時需要考慮的因素。2.解釋什么是湍流，并簡述其與層流在火箭燃燒室模擬中的主要區(qū)別。3.在設(shè)置燃燒室入口邊界條件時，通常需要考慮哪些關(guān)鍵參數(shù)？四、計算題（共15分。請根據(jù)題目要求進行計算或推導(dǎo)）假設(shè)在一個簡化的火箭燃燒室模擬中，你正在使用有限體積法求解二維穩(wěn)態(tài)不可壓縮Navier-Stokes方程?？紤]一個計算單元（控制體），其控制面分別為前后、左右和上下。已知該單元中心點的速度分量分別為\(u_{c}\),\(v_{c}\),壓力為\(p_{c}\)，密度為\(\rho_{c}\)，動粘度為\(\mu\)。前后控制面的法向速度分別為\(u_{f}\)和\(u_\)，左右控制面的法向速度分別為\(v_{l}\)和\(v_{r}\)。請寫出基于動量守恒定律，對該控制體進行積分并推導(dǎo)出的離散通量（或稱通量差分格式的一部分）表達式。假設(shè)流體是常物性流體。五、綜合分析題（共25分。請結(jié)合所學(xué)知識，分析和回答下列問題）1.某研究小組使用CFD方法模擬了一種新型環(huán)形燃燒室內(nèi)的流動。模擬結(jié)果顯示，在噴管入口附近存在一個較大的回流區(qū)。請分析這個回流區(qū)的可能成因，并討論其對燃燒穩(wěn)定性和性能可能產(chǎn)生的影響。（8分）2.對比分析使用不同湍流模型（如標準k-ε模型和SSTk-ω模型）對火箭燃燒室進行模擬的優(yōu)缺點。在什么情況下選擇哪種模型可能更合適？（10分）3.假設(shè)你負責(zé)進行某型火箭燃燒室的性能評估模擬。請簡述你會如何設(shè)置模擬計算，以及如何利用模擬結(jié)果來評估燃燒室的性能指標（如燃燒效率、推力等），并提出至少兩點基于模擬結(jié)果進行燃燒室設(shè)計的優(yōu)化建議。（7分）試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.D5.A二、填空題1.熱力學(xué)第一；動量2.數(shù)值穩(wěn)定性3.邊界層4.化學(xué)反應(yīng)5.突變?nèi)⒑喆痤}1.解析思路：計算域的選擇需考慮物理過程的完整性和計算效率。應(yīng)包含主要的流動區(qū)域（如噴注區(qū)、回流區(qū)、火焰面附近、激波區(qū)等），同時要避免過多無關(guān)區(qū)域的包含，以減少不必要的計算量。邊界位置應(yīng)合理設(shè)置，能夠準確反映計算對象的物理條件（如入口條件、出口條件、壁面條件）。對于旋轉(zhuǎn)燃燒室，還需考慮對稱性，以減少計算量。2.解析思路：湍流是流體內(nèi)部隨機、不規(guī)則且具有三維結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)，伴隨著大量旋渦的產(chǎn)生、發(fā)展和耗散。其特征是時間平均速度和壓力pulsation存在，湍流強度大，雷諾數(shù)通常很高。層流是流體平穩(wěn)、有序的層狀運動，各層之間只有平行于流線的切向應(yīng)力，無脈動，雷諾數(shù)較低。在燃燒室模擬中，湍流會顯著影響混合、燃燒穩(wěn)定性和傳熱，因此準確模擬湍流至關(guān)重要。3.解析思路：燃燒室入口需要指定的關(guān)鍵參數(shù)通常包括：來流總壓（或靜壓）、總溫（或靜溫）、來流速度（或馬赫數(shù)）、燃料和氧化劑的流量（或質(zhì)量分數(shù)/摩爾分數(shù)），以及可能的來流方向和湍流強度等。這些參數(shù)定義了進入燃燒室的氣流狀態(tài)和成分。四、計算題表達式：\[\frac{\rho_{c}(u_{f}^{2}-u_^{2})}{2}+\rho_{c}(u_{c}-u_{f})(u_{c}-u_)+\mu\left(\frac{v_{r}^{2}-v_{l}^{2}}{\Deltax}+\frac{u_{t}^{2}-u_^{2}}{\Deltay}\right)=\frac{p_{c}-p_{f}-p_}{\Deltax}+\frac{p_{c}-p_{l}-p_{r}}{\Deltay}\]*(注：此為基于控制體法推導(dǎo)的簡化形式，具體形式可能因網(wǎng)格類型、中心點處理方式等略有差異。核心是動量守恒，考慮了壓力梯度、粘性力和跨單元動量交換。)*五、綜合分析題1.解析思路：回流區(qū)通常形成于流速較低或存在流動停滯的區(qū)域。在噴管入口附近形成回流區(qū)，可能的原因包括：主流高速氣流繞過噴管邊緣或臺階產(chǎn)生分離，噴注流與主流的相互作用導(dǎo)致的回流，燃燒不穩(wěn)定性引起的周期性渦旋脫落等?；亓鲄^(qū)是燃料和氧化劑混合的關(guān)鍵區(qū)域，過大的回流區(qū)可能導(dǎo)致混合不充分，降低燃燒效率，甚至引發(fā)燃燒不穩(wěn)定（如爆震）或熄火。同時，回流區(qū)也影響壁面熱負荷的分布。2.解析思路：優(yōu)點：標準k-ε模型計算效率高，適用于全流場大尺度湍流模擬。缺點：對近壁面流動預(yù)測能力較差，假設(shè)單一渦結(jié)構(gòu)，無法模擬分離流等復(fù)雜流動。SSTk-ω模型結(jié)合了k-ε和k-ω模型的優(yōu)點，對近壁面流動預(yù)測較好（使用k-ω），對遠場大尺度湍流也較適用（使用k-ε部分），適用范圍廣。缺點：SST模型本身是經(jīng)驗公式，存在一些局限性。選擇標準k-ε適用于高雷諾數(shù)、遠離壁面的主要流場區(qū)域。選擇SSTk-ω適用于需要精確預(yù)測近壁面流動（如邊界層、激波/邊界層干擾）或混合區(qū)的場景，或當模擬區(qū)域同時包含近壁面和遠場流動時。低雷諾數(shù)k-ω模型更適用于低雷諾數(shù)流動。3.解析思路：a.設(shè)置：明確燃燒室?guī)缀文Ｐ?；選擇合適的CFD求解器和湍流模型；設(shè)置入口邊界條件（總壓、總溫、流量、速度等）；設(shè)置出口邊界條件（壓力出口或背壓）；設(shè)置壁面邊界條件（材料、溫度）；施加燃料和氧化劑噴注邊界條件（位置、方式、參數(shù)）；進行網(wǎng)格劃分（考慮幾何特征和流動梯度）；設(shè)置求解參數(shù)（收斂標準、迭代方法等）；運行計算并后處理。b.評估指標：通過模擬可獲得燃燒室內(nèi)部的溫度場、壓力場、速度場、組分場等。利用這些場信息，可以計算關(guān)鍵性能指標。例如，通過積分出口總壓和動量，估算推力；通過分析火焰面附近溫度和組分分布，評估燃燒效率；通過計算壁面法向溫度，評估熱負荷分布；通過分析燃燒不穩(wěn)定性模態(tài)的幅值和頻