发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

针对火箭发动机尾焰注水流场,组织并实施了火箭发动机系留点火及燃气流场注水降温缩比试验,研究了燃气冲击射流流场和注水作用下两相流场的分布状态以及降温效果。并通过研究在高温高速对流冲击作用下气液两相流的传热和传质理论,在Mixture多相流模型的基础上添加质量和能量源项,建立了多组分气液两相流非定常数值计算模型,通过对比试验结论,结果表明：所建立的数值计算模型具有较高的计算精度和可靠性,能够准确地反映物理现象。利用数值计算模型研究了注水后燃气、液态水和水蒸气三种主要组分在流场中的组成,通过与自由射流对比得到了注水燃气流场的包络线长度与宽度变化,注水对燃气流场降温效果显著。     

某固体火箭发动机药柱温度场有限元分析

为探索环境温度变化条件下固体火箭发动机药柱温度场的一种简单而有效的技术途径,利用有限元传热分析法,对某固体火箭发动机在温度循环条件下的燃烧室药柱温度场进行了研究。针对不同的药柱结构分别建立了二维和三维传热模型,通过对比计算值与试验测试值可知,与三维模型相比,二维传热计算方法可提高药柱温度场的计算效率,且计算结果与试验测试值吻合度较高,可满足试验预测要求。因此在工程分析中,为快速得到有效的分析结果,可采用二维传热模型分析发动机药柱温度场,其中二维无翼槽模型适于模拟药柱远离翼槽部位的温度场,二维有翼槽模型适于模拟药柱翼槽部位的温度场。     

火箭发动机气体-颗粒两相流双流体模型研究

探讨了两相流双流体模型中颗粒相压强、两相界面压强以及两相界面速度等若干关键问题,从理论上推导了双流体模型的控制方程,并讨论了颗粒相控制方程的双曲性.把LU隐式时间格式和Van-Leer矢通量分裂格式应用到两相流双流体模型中,并对一维等截面传热摩擦管道和轴对称JPL喷管中气固两相流进行了计算,计算结果与文献结果吻合良好,所建数学模型正确,所用数值计算方法可靠.     

基于燃面耦合传热的固液发动机内流场模拟方法

针对固液火箭发动机中的燃烧流动,建立了一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的通用计算模型。应用该模型计算了二维固液实验发动机燃烧室,得到了燃烧室内部的扩散燃烧和燃面退移速率。计算得到的燃面退移速率与实验结果吻合较好,说明该方法对固液火箭发动机内流场计算有较强的通用性,PDF模型可有效模拟混合发动机中的扩散燃烧过程;简化的一维燃面传热耦合方法可应用到多维计算;该模型可用来模拟固液发动机的内弹道和预示退移速率。     

固体火箭发动机绝热层粒子侵蚀特性数值模拟研究

针对固体火箭发动机高浓度颗粒流冲刷下的粒子侵蚀绝热层问题，运用Standard k-ε湍流模型和颗粒轨道模型对某型地面模拟过载试验发动机进行三维两相流数值模拟，分析两相流场特性，基于Oka粒子侵蚀模型计算某型EPDM绝热层的粒子侵蚀率，并与7次地面模拟过载试验发动机粒子侵蚀试验结果进行对比。数值结果表明，该粒子侵蚀模型可靠且精度有保证，能够正确预示绝热层粒子侵蚀特性；计算与试验所得的侵蚀率分布范围基本相同，计算所得最大侵蚀率偏大，最小相对误差4.69%,平均相对误差约13.89%;但侵蚀分布特征与试验结果不完全一致，分析认为粒径分布数据与真实值的偏差是侵蚀分布特征存在差异的主要原因。研究结果可用于工程中EPDM绝热层高浓度颗粒冲刷下的粒子侵蚀分析，能够为固体火箭发动机绝热层设计及热防护可靠性研究提供参考。     

一种火箭发射场坪流场的环形线汇描述方法

针对火箭发射场坪流场分布规律，基于势流法提出环形线汇描述方法，推导了环形线汇流场的速度势和速度的计算公式，建立了流场的FLUENT仿真模型并进行计算，将环形线汇理论计算结果与仿真结果进行对比。结果表明，不同火箭半径和入口流速对环形线汇和FLUENT仿真两种方法计算结果的相关性没有影响，随着箭井间隙增大，两种方法计算结果的相关度减小；环形线汇方法能够描述发射场坪流场变化趋势，在箭井间隙较小且误差允许时可以作为发射场坪流场的简化描述方法。     

微型固体火箭发动机点火增压过程瞬态燃速辨识

建立了微型固体火箭发动机点火增压过程一维非定常仿真模型;基于发动机点火增压物理过程,采用拉丁超立方设计方法进行了仿真试验设计,得到了传热模型参数和不同压强范围瞬态燃速模型参数的最优估计。计算和试验结果的对比表明,辨识所得模型参数合理,修正后的dp/dt燃速模型适用于微型固体火箭发动机升压速率较高的情况。     

三氧化二铝颗粒在喷管内的沉积

本文根据一系列复合推进剂固体火箭发动机的中止燃烧试验,提出了三氧化二铝颗粒在发动机喷管内的沉积计算模型,并通过轴对称喷管两相跨音速流场计算及喷管传热分析,预示喷管内的沉积规律及沉积对喷管壁内温度场的影响。预示结果与实验结果基本相符。文中还比较了燃烧室压力,推进剂中铝含量对沉积影响的实验结果和理论预示结果,它们也基本相符。     

随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用

应用随机轨道模型对喷管内气-固两相流动进行了数值模拟,结合实验测量结果对使用随机轨道模型和确定轨道模型两种方法的计算结果进行了对比分析,研究了不同固相参数(固相质量比和粒子平均直径)下的固体火箭发动机喷管性能。研究发现,随机轨道模型对实际流动现象的模拟优于确定轨道模型,随着固相质量比和粒子平均直径的增加,喷管两相流损失增加,冲量系数下降。     

多孔介质冷却通道在燃烧室中的应用

为了探索多孔介质冷却通道在液体火箭发动机燃烧室中的应用,采用金属粉末烧结法制备了多孔介质,设计了多孔介质通道的流阻和传热特性测试装置,建立了采用多孔介质冷却通道的燃烧室传热预测模型,对具有不同结构参数的多孔介质进行了研究。结果表明:随着孔隙率的增大,多孔介质通道的流阻逐渐减小,换热能力逐渐下降;基于传热模型的预测结果与试验有一定偏差,最大达到25%;相较铣槽通道,多孔介质冷却通道能够在燃烧室中获得更好的热防护效果。     

固体火箭发动机喷管集成设计分析技术研究

固体火箭发动机喷管不仅结构形式多样,而且工作条件恶劣,长期以来难以找到一种通用的设计计算和分析的一体化方法。文中在大量研究喷管的结构形式、流动模型及传热模型基础上,利用先进的计算机辅助设计技术、有限元技术和两相流分析技术,研制出了喷管一体化设计、分析和计算软件。它可为喷管的热结构分析和发动机工作过程数值模拟提供参考。     

微型脉冲推力器点火启动过程计算与点火药量选择

建立了微型脉冲推力器点火启动模型,模型中考虑了两相流动和颗粒对推进剂表面的冲击传热。根据数值计算结果,给出了不同产物颗粒含量下的点火药量选择参考范围。该参考范围对于产物颗粒含量小于50%的点火药是适用的;由于过多的颗粒含量将对装药表面产生强烈的热力冲蚀破坏作用,产物颗粒含量超过50%的点火药不适合微型火箭发动机。     

残余限燃环对大型分段式固体火箭发动机凝相沉积的影响

采用Euler-Lagrangian方法描述固体火箭发动机两相流动过程,数值分析了某大型分段式固体火箭发动机地面试车后在后段燃烧室筒段出现大量的Al2 O3凝相颗粒沉积现象,计算过程中考虑了气相湍流脉动对凝相颗粒的影响,并通过缩比分段式固体火箭发动机地面粒子沉积试验对计算结果进行验证,数值计算与试验结果基本吻合.二者结...     

点火瞬态过程仿真模型参数辨识

建立了固体火箭发动机点火瞬态过程一维非定常流场仿真模型,采用系统辨识方法进行了模型参数不确定性研究。基于点火试验用缩比发动机试验结果,得到了传热模型参数和瞬态燃速模型参数的最优估计,提高了点火瞬态过程一维仿真模型的预估精度。采用近似方法,构建Kriging近似函数,有效解决了一维非定常流场仿真的计算复杂性问题。     

再生冷却推力室准二维传热数值计算

为了提高液体火箭发动机传热计算精度,建立了再生冷却推力室准二维传热计算的通用方法。冷却通道内考虑了冷却剂层间导热导致的温度分层效应,燃气侧对流换热既可采用传统Bartz公式,又可直接求解边界层控制方程得到热流密度,最终基于MATLAB开发完成了通用的再生冷却推力室准二维传热程序。利用该程序对某氢氧发动机进行了传热计算,并与一维传热程序和三维CFD传热计算结果进行了对比,结果表明：准二维传热计算方法可以计算出冷却通道内温度分层情况,冷却剂温升、流阻计算值与热试数据吻合较好,误差在10%以内,优于一维传热结果,验证了计算方法的有效性;直接求解边界层控制方程得到的热流密度与三维计算结果吻合较好;准二维传热计算时间短,效率高。     

火箭水下发射复杂流场的近似数值模拟

本文对火箭水下直接点发射过程中，喷管内高温燃气的推进和气囊的形成、发展等流动演变过程提出了一类简化的模型，并进行了非定常粘性 可压缩流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的数值模拟。计算结果表明，简化模型的合理性，对水下火箭发射的流动过程分析具有一定的参考价值和一种应用价值。     

环境温度对固体火箭发动机气密性检查影响分析

针对M型固体火箭发动机的具体结构,建立了其在储存环境条件下的传热模型,并进行了计算,分析了环境温度变化对“压差法”气密性检查结果的影响,验证了采用“压差法”对固体火箭发动机进行气密性检测的可靠性。     

宽粒径范围颗粒对气相膨胀的影响

利用双流体模型对固体火箭发动机喷管内气固两相流进行计算,研究了两相流中颗粒相与气相的相互作用,分析了颗粒粒径及颗粒质量分数对两相流中气相在喷管中膨胀的影响。结果表明,颗粒粒径造成两相流损失的大小是颗粒比表面积、气相湍流动能及颗粒在喷管内的滞留时间等因素共同作用的结果,两相流损失随着颗粒粒径的增大先增大、后减小,同时随着颗粒质量分数增大而增大;JPL喷管中粒径为2μm的颗粒造成的两相流损失最大,此粒径下,当颗粒质量分数从10％增大到40％时,两相流损失从10％增大到26％。     

高深宽比冷却通道的流动与传热数值分析

本文描述了一个火箭发动机高深宽比冷却通道三维流动和传热分析程序。该程序是建立在抛物线化的纳维尔一斯托克斯方程基础之上的,将其流动和传热计算结果与文献中找到的测量数据进行比较,表明该程序是有效的。计算是针对实际压力为100巴的发动机冷却通道内的流动进行的。计算出的冷却剂温升和压降值和实验结果符合良好。参数分析给出了湍流强度、壁面粗糙度、传热边界条件和近壁流动模型的影响。可以看出,本程序能够成功用于火箭发动机冷却通道内三维的流动和传热分析,它高效地利用 CPU 时间,而且用它来帮助设计现在或是将来的火箭发动机燃烧室将是很方便的。     

小推力发动机膜冷却工程算法研究

为满足工程上对推力室内部传热流动分析的要求,应用分层流动理论,结合半经验传热和化学反应平衡模型,建立了分析小型液体火箭发动机推力室膜冷却的传热模型。以气氧/煤油发动机为例,初步实现了对定常情况下膜冷却过程的模拟。计算表明,冷却剂的质量分数,燃气的流动状态,喷注器尺寸等因素对冷却效果和发动机总体性能有重要影响。研究结果可为新一代小型液体火箭发动机的研制提供参考。