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。     

凝聚相粒子在喷管喉部沉积规律的理论预示

以金属粉末为添加剂的固体燃料,在燃烧后金属氧化物以凝聚态的形式在喷管中流动。对于工作时间长、喷喉较小的固体火箭发动机,凝相粒子在喷管喉部的沉积严重地影响到发动机的内弹道性能,甚至引起发动机的爆破事故。因此,搞清沉积规律是十分必要的。 本文根据凝相粒子的运动规律以及关于沉积层的移动边界传热问题的分析,提供了一个关于沉积速度的理论预估方法。通过算例,证明理论预估与实验资料是十分吻合的。     

大型固体发动机潜入式喷管背壁区域熔渣沉积数值模拟

考虑凝相颗粒间的相互作用以及颗粒和发动机壁面之间的碰撞,建立了固体发动机潜入式喷管背壁区域熔渣沉积数值计算模型,并针对某大型固体发动机内熔渣形成过程开展了数值计算。结果表明,该计算模型具有较高的计算精度,计算结果可信;熔渣的沉积主要是由颗粒之间相互作用而形成的大尺寸颗粒与喷管潜入段内壁面碰撞并发生黏附而形成的;喷管潜入段入口处药柱燃面的形状对潜入段内熔渣的沉积过程具有一定影响。     

水下固体火箭发动机的负推力现象研究

针对水下固体火箭发动机工作环境压强高的特点,结合固体推进剂的燃烧特性,采用UDF方法定义喷管入口边界条件,建立了固体推进剂燃气质量生成与水下超音速气体射流的耦合计算模型。将该模型的计算结果与水下固体火箭发动机的实验测量结果进行对比,验证了该模型的合理性。研究发现,水下固体火箭发动机在点火初期会出现负推力现象,负推力产生的原因是发动机点火初期,喷管内被过度压缩的燃气冲出喷管后,在喷管尾部形成一个超音速燃气泡,超音速流动使泡内压强降低;同时受到流动惯性作用的影响,气泡持续膨胀使泡内压强进一步大幅降低,发动机前后端面上的压差最终导致负推力现象产生。     

潜入喷管背部容腔对点火初期压强振荡影响的数值研究

为深入了解点火初期药柱表面的压强振荡情况,采用计算流体力学软件FLUENT对固体火箭发动机喷管堵盖打开前的点火增压过程进行了轴对称数值计算,探讨了潜入喷管背部容腔对压强振荡的影响.计算结果表明,发动机头部和背部容腔内压强振荡最为剧烈,压强峰值和升压梯度峰值随容腔体积的增加而递减.结论可为药柱裂纹的扩展研究及固体火箭发动...     

浇铸火箭发动机推进剂固化升温时间估算

对浇注火箭固体推进剂,药浆固化升温是一个不稳定的传热过程。发动机尺寸愈大,固化升温时间愈长。本文用有限差分法计算传热时间,根据实验获得药浆固化时的热性质参数和温度之间的函数关系;并计算得到发动机尺寸、升温时间与温度变化的关系。     

长尾喷管后效瞬态传热特性分析

针对固体发动机长尾喷管后效传热过程中喷管外壁面温度的实验值与理论预估值相差较大的问题,研究了长尾喷管后效瞬态传热特性。经分析发现,其主要原因在于绝热层烧蚀和氧化铝沉积。针对绝热层烧蚀对后效传热的影响,参数化分析了绝热层密度、比热容和导热系数因素的影响,发现在绝热层热扩散率相同条件下,绝热层的密度对后效传热影响最大,其次为比热容,导热系数的影响最小。针对氧化铝沉积对后效传热的影响,建立无沉积模型、沉积层模型和修正模型,对后效传热过程进行模拟,模拟结果与实验结果对比表明:修正模型与实验过程最为贴近,其相对误差在6.9%以内,氧化铝沉积层在传热过程中对喷管起到一定的绝热作用。研究结果可为长尾喷管的热防护提供理论基础。     

航天飞机固体火箭发动机内的熔渣沉积模拟

固体火箭发动机含铝推进剂燃烧时,在其表面生成铝/三氧化二铝液滴。液滴一旦离开表面与其它液滴碰撞,就会形成大的聚结物(agglomerates)。大部分液滴或聚结物不能随燃气流排出喷管之外,可能沉积(deposite)在发动机的内表面。本研究通过流动模拟来了解航天飞机固体火箭发动机(SRM)内熔渣物的沉积过程和伴随而来的积聚(accumulation)、堆积(pooling)过程,从而提出一种分析方法,以预测与沉积和堆积过程有关的某些未知数。通过对发动机地面卧式试车后发动机内的凝固熔渣进行观察,定性地证实了用这一方法进行分析所得出的结果。本文用这些结果来解释 QM—2发动机(鉴定发动机)内的熔渣,同时也预测飞行过载对熔渣形成的影响。虽然这一方法是为 SRM 提出的,但也适用于任何结构的固体火箭发动机。     

无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程内流场计算

本文提出了计算无喷管固体火箭发动机压力建立过程的 P(x,t)模型,它的控制方程是一组一维非定常两相非平衡流和一组一维非定常两相非平衡流动力学方程,该方程采用 MacCormack 显示差分格式求解.本文还建立了在跨音速和超音速气流流动下的侵蚀燃烧模型,该模型适用于无喷管固体火箭发动机.利用本文的模型可精确预示无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程的内弹道性能,并可研究无喷管固体火箭发动机的内流场变化规律.     

喷管喉衬温度场计算影响因素的数值分析

本文以计算机数值实验的方法对固体火箭发动机喷管喉衬温度场计算的几种影响因素,包括温度场模型、对流换热系数,推进剂金属微粒引起的热幅射、材料物理参数及背壁边界条件等,进行了数值分析。针对小型固体火箭发动机工作条件给出了不同的计算条件变化可能造成的数值影响效果,力求为喉衬温度场计算选取模型和参数等问题提供参考。     

固体推进剂点火的表面沉积模型

本文根据固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体进行点火的特点,提出了一个点火过程的机理,即认为在点燃之前凝结物质的热粒子首先沉积在推进剂的表面上形成一层沉积层,并根据传热理论建立了固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体点火的模型,求得了固体推进剂内部的温度分布和表面温度随时间的变化,以及计算点火延迟时间的解析解,再根据对流换热系数与压力的关系计算出点火延迟时间与压力的关系,将理论计算的点火延迟时间和压力的关系与实验结果比较表明理论模型是合理的。为了验证本文所提出的点火过程的沉积机理,设计了一个实验,实验结果表明在点燃之前推进剂表面确实存在一个沉积层,因而合理的理论模型应该包括这个沉积过程。     

发动机喷管内流场对流换热系数影响因素的数值分析

基于Roe-FDS格式,采用标准κ-e湍流模型对某液氧煤油发动机喷管内部燃气流对喷管内壁的对流传热换热系数进行了数值仿真与研究,分析了网格雷诺数以及恒温壁壁温对喷管内壁对流换热系数的影响.当近壁面网格第一层法向高度为10-3 mm数量级时,仿真结果与工程估算公式的计算结果相吻合.同时,在一定范围内,对流换热系数随来流速...     

高温固体颗粒气动阻力系数数值计算

在发动机喷管的气粒两相流场中,金属颗粒阻力的准确计算对整个流场的模拟有着重要作用.而高温颗粒与周围气相的传热会改变气相的性质,进而影响颗粒的气动阻力.采用k-ε湍流模型和强化壁面处理方法,计算了雷诺数Re在0～10 000范围内,颗粒与气相不同温差情况下球形单颗粒的气动阻力系数.颗粒温度升高,颗粒所受的气动阻力随之增加,但是增加的幅度随Re的增加而减小;根据计算结果,拟合了以颗粒雷诺数为自变量的高温颗粒气动阻力系数的计算公式.通过与低Re下的实验数据的对比,验证了所拟合公式的适用性和可信性.     

固体火箭发动机潜入和非潜入喷管内流场模拟及对比

利用FLUENT流场计算软件,对采用潜入和非潜入喷管的全尺寸固体发动机,采用二维轴对称模型和准定常方法进行了内流场模拟计算和对比分析.结果表明,喷管潜入结构可有效地降低发动机后封头壁面附近的燃气速度,从而比非潜入发动机有更好的热防护环境;两种发动机在燃烧室内压强、速度和温度分布大致相同,非潜入喷管发动机在喷管出口轴线处燃气速度比潜入喷管发动机的大,而温度和压强较低.     

一种新颖的基于总能量守恒的化学平衡流算法

在推进剂燃烧的建模上,传统的热力计算方法一般基于总焓守恒求解定压绝热燃烧温度和平衡组分,不能考虑壁面传热;在燃气流动的建模上,通常采用的冻结流模型认为本地的组分及热物理性质与燃烧室瞬时一致,忽略了这些参数因来流气体与本网格滞留气体掺混带来的随时间的缓变效应。提出了一种新颖的可以考虑壁面传热的基于总能量守恒的化学平衡流计算方法,运用Fortran2008语言,采用面向对象编程方法建立了化学平衡流燃气发生器管道的模块化仿真模型,并将该模型应用到一个包含42个组件的涡轮试验台气路系统的建模与仿真中。与早期模型仿真结果及试验数据的对比发现,新模型的仿真结果有一定改进,更加接近试验数据。     

喷管延伸段内向辐射角系数的数值分析

本文导出了计算液体火箭喷管内壁面辐射角系数的通用关系式。利用Simpson公式求得了8个喷管延伸段内壁面对内壁面,12个喷管延伸段内壁面对入口面积和内壁面对出口面积的辐射角系数。计算段出口面积比ε_(?)=50,75,100及144。还提出了一个有较高精度的内壁面对出口面积辐射角系数半对数实用计算公式。     

喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化分析

针对目前喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化缺乏定量分析的现状,通过材料模型、载荷模型的研究工作,建立能够满足喷管后效传热分析精度要求的喷管温度场有限元计算方法,并通过缩比试验喷管温度场计算与试验测试结果的对比分析进行验证。在此基础上,开展了背壁绝热层后效传热的仿真分析,掌握了后效传热炭化分析方法,并得到了解剖测试结果的验证。研究结果表明,背壁绝热层的炭化大部分发生在后效传热期间。利用该方法进行了全尺寸喷管的背壁绝热层后效炭化分析工作,提出了根据温度计算结果进行裕度评估的方法。评估结果表明,全尺寸喷管的背壁绝热层设计厚度有减薄空间。     

铣槽结构液体火箭发动机推力室壳体热应力分析

介绍了液体火箭发动机推力室铣槽结构热应力的数值分析方法,通过建立液体火箭发动机推力室的流场燃烧和导热理论模型,运用有限体积法考虑液膜冷却计算出发动机工作时的燃气、燃烧室壳体和冷却工质的温度场,将得出的结果作为壳体热应力计算模型的边界条件进行热应力场有限元分析。内、外壁温度的计算数据与实验结果基本相符。     

液体火箭发动机自引射工作过程传热研究

建立了液体火箭发动机自引射工作过程传热分析模型。分析了圆柱型和二次喉道型引射器在不同冷却水流量下引射器的壁温和热流的变化,得到了引射器可靠工作的冷却水流量范围,引射器冷却水温升测试值和仿真值的一致性较好。