锥柱型装药固体火箭发动机两相内流场中颗粒运动的数值模拟

研究锥柱型装药固体火箭发动机(SRM)燃烧室和喷管的内流场具有重要的工程意义。针对某型发动机各工作时间下的不同情况,采用高雷诺数下的k-ε湍流模型和欧拉-拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC气固耦合计算方法,对其内流场进行了三维两相一体化计算。最后给出了流场内部分颗粒运动的轨迹图像及颗粒与壁面碰撞的一般规律。在不同的时间下,不同尺寸的颗粒会撞击壁面不同的位置,但主要集中在壳体与喷管的相接部分和喷管的收敛段。局部的旋涡也会对颗粒的运动以及颗粒的碰撞沉积、聚集等造成较大影响。     

对欧空局轨道碎片模型的评价

文章评价了颗粒大于1cm的碎片模型,它包含大于10cm的一组粒子和介于1～10cm之间的粒子,它们是由空间暴露模拟得到的。接着讨论了尺寸范围介于0.1～10mm之间的小粒子束流。假定这些粒子主要是由小粒子与卫星碰撞产生的。这种碰撞主要发生在450～500kin的高度范围内(空间站高度),碰撞与否还取决于轨道高度和离心率。     

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。     

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

运用离散颗粒模型对固体火箭发动机及尾焰两相流进行了一体化仿真,得出了各燃气组分和Al2O3颗粒的流场参数分布.通过建立固体火箭尾焰红外辐射模型,计算出了二维轴对称尾焰的光谱辐射亮度.研究表明,颗粒辐射起着主导性作用,颗粒尺寸越小,在4.3 μm波长处气相辐射作用越明显;燃烧室内燃面颗粒速度越大,尾焰辐射越弱;颗粒尺寸越大,颗粒辐射越强,但随燃面颗粒速度增大,辐射降低越快.所得结论与相关文献数据一致,表明计算模型和方法可行.     

旋转条件下固体火箭发动机三维内流场数值模拟

基于颗粒轨道模型,通过运动方程加入过载加速度的方式建立了旋转条件下固体火箭发动机内三维两相流的数值模型,并利用该模型研究了不同的旋转加速度对固体火箭发动机中粒子运动轨迹以及聚集浓度的影响。结果表明,随着发动机旋转速度的增大,粒子的聚集带逐渐向壁面附近扩散,在发动机的轴向附近形成一个无粒子区域,旋转速度越大,无粒子区域越大;当旋转速度增加到一定值,粒子的聚集带向外扩散至壁面上,在前封头附近的壁面上形成一条与发动机母线成一定夹角的高浓度聚集带。     

随机颗粒轨道模型在长尾喷管发动机流场计算中的应用

应用随机轨道模型对长尾喷管发动机长尾段内的轴对称两相流动进行了数值模拟,并对确定轨道和随机轨道获得的计算结果进行了对比分析,研究了10、30、50、80、100μm不同直径颗粒及3种不同颗粒直径分布下颗粒的运动轨迹和颗粒在壁面聚集浓度的区别。研究表明,随着颗粒直径的增加,颗粒的随流性变差,惯性增强,湍流脉动对颗粒的作用减小,不同颗粒轨道模型获得的计算结果区别明显,尤其是喷管扩张段的差异;随机轨道相对于确定轨道获得的结果,流场中几乎不存在无颗粒区域;不同颗粒直径的分布形式对计算结果影响也较明显;颗粒和壁面碰撞的形式主要为小直径颗粒主要受湍流脉动的作用,大直径颗粒主要是由于惯性的作用。     

基于MSDM方法的粒子-固壁侵蚀效应研究

为研究导弹发射过程中发动机喷出的高温高速粒子对发射装置壁面的冲刷和侵蚀作用,利用MSDM(微尺度动力学模型)方法,建立了粒子对固壁材料的冲刷侵蚀模型,对粒子入射速度、入射角度、粒子尺寸及固壁材料特性等影响侵蚀效应的因素进行了研究,获得了粒子入射条件、固壁材料特性与侵蚀效应的相互关系.用MSDM方法将粒子和固壁离散为具有一定连接关系的微团质点,并利用材料属性和牛顿运动关系确定了微团间的相互作用和运动过程.研究表明,该方法在分析粒子-材料侵蚀方面具有一定效果.     

组合推进剂下凝相燃烧产物对喷管壁面温度的影响

为研究高低燃温组合推进剂凝相产物对喷管壁面温度的影响,设计了不同低燃温推进剂含量及燃烧产物粒径的对比工况。研究结果表明,低燃温推进剂燃气有效降低了壁面温度及减少粒子对壁面的碰撞,两者对壁面温降作用相当。同时开展了组合推进剂下喷管外壁面温度测试试验,低燃温推进剂含量为6.8%时,喷管外壁面最高温度下降40.5%。最后开展了流固耦合计算,获得了喷管外壁面温度随时间的变化,计算结果与试验数据基本一致。     

分段式固体发动机颗粒沉积规律研究

开展了分段式固体发动机颗粒沉积规律研究,探究了分段药柱端面限燃层高度对分段式固体发动机熔渣沉积的影响。结果表明,随着限燃层高度的增大,分段式发动机的熔渣沉积量明显增大,计算结果与试验结果吻合较好。分析认为,造成熔渣沉积量增大的主要原因是随着限燃层高度的增大,颗粒通过限燃层后的速度方向与壁面的夹角逐渐增大,限燃层对颗粒的扰动作用明显增大,后段燃烧室的湍流效应明显增强,最终导致颗粒与壁面的碰撞概率明显增大,熔渣沉积量明显上升。     

霍尔效应推力器羽流的PIC/MCC模拟(英文)

采用粒子网格单元与蒙特卡洛碰撞相结合的方法,建立霍尔效应推力器羽流的二维轴对称模型.模型中电子作为流体处理且服从等熵假设,离子(Xe~+和Xe~(2+))采用粒子描述,中性原子为背景气体.自洽电势通过求解非准中性、线性化Poisson方程获得.模拟结果与实验数据相比较表明,模型能够可靠预估羽流的物理特性;粒子入射发散角为30°～40°时模拟结果与实验数据吻合较好;倒流区离子数密度可达10~(14)m~(-3),会对飞行器表面造成损害;且等离子体密度和电子温度沿轴线方向衰减很快.     

粒子尺寸分级的喷管两相流场计算

应用计算流体力学软件FLUENT，对固体火箭发动机喷管内的二维两相粘性湍流进行数值模拟。用拉格朗日方法对粒子的速度、温度、轨迹进行处理。5组级别粒子尺寸的气流被用来实验和计算，计算结果表明，粒子尺寸分布对两相流场有显著影响。     

固体火箭发动机喷管扩张段粒子冲刷流场分析

某翼柱形药柱固体火箭发动机喷管扩张段出口部位在试验后出现了与药柱翼槽位置相对应的冲刷痕迹,为了研究Al2O3粒子对喷管扩张段的冲刷规律,对喷管型面改进提供依据,对比了不同湍流模型、颗粒轨道模型对形成冲刷痕迹的影响,分析了发动机喷管扩张段两相流场特征,确定了形成冲刷痕迹的粒径范围,判断了冲刷痕迹的形成时间,提出了喷管型面改进方案。结果表明,喷管扩张段的冲刷痕迹形成于发动机工作的15 s时刻之前,主要由药柱后翼燃烧产物中颗粒粒径分布为10~16μm区间的粒子造成,改进后的喷管型面可有效降低粒子对喷管扩张段的冲刷。     

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.     

Numerical investigation on gas–particle flows in horizontal channel under the reduced gravity environments

A unified second-order-moment gas–particle two-phase turbulent model incorporated with kinetic theory of granular flows (USM-θ) is developed to study the particle dispersion behavior of dense gas–particle flows in horizontal channel with 6.96 μm wall roughness and with earth, lunar and microgravity environments, respectively. Anisotropy of gas and particle two-phase stresses and the interaction between two-phase stresses are fully considered by constructing two-phase Reynolds stress model and the transport equation of two-phase stress correlation. The flow behavior of particles in a horizontal channel of Kussin and Sommerfeld [12] experiments is numerically simulated. Results show that the reduced gravity conditions affect the particle concentration distribution, particle velocity and fluctuation velocity, particle temperature, axial–axial fluctuation velocity correlation of gas and particle and particle collision frequency. Under microgravity conditions, particle temperature and collision frequency are much less than those of earth and lunar gravity. Compared with earth gravity, anisotropic of two-phase flow and sedimentation are weaker.     

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。     

粒子流量可调的喷管烧蚀试验方法

发展了一种保持燃气参数不变的情况下能实现粒子流量可调的喷管烧蚀试验方法,并研制了试验装置。该试验方法是将两相流燃气中的一部分粒子收集起来,以减少流经喷管的粒子流量,通过改变收集孔和收敛角的大小来调节粒子流量。采用该方法开展了变粒子流量的喷管烧蚀试验,试验结果验证了该方法是有效的,试验条件下喷管喉部平均线烧蚀率随粒子流量减小而降低。     

Numerical investigation on hydrodynamics of gas-binary particles flows using a second-order-moment turbulent model

A binary-particles Reynolds stress equation is developed on the basis of single second-order-moment turbulence model. In this model, particle–particle two-phase fluctuation velocity correlation transportation is proposed to fully reflect their anisotropic characters, as well as each of particle interaction with gas phase is taken into account. Swirling gas-particle flow experiments data is used to validate this model simulation in term of the reduced codes of the mono-disperse particle gas-particle flows. Numerical simulations are performed for the gas-binary particles mixtures turbulent flows and results shows that the axial Reynolds stress in near wall regions is approximately 3.0 times greater than the tangential direction and the tangential Reynolds stress in central axial region is approximately 5.0 times greater than the axial direction. The Reynolds stress in the axial direction and tangential direction are redistributed due to binary particle–particle collision. The ratio kinetic to particles collision contributions in binary mixture system are varied with the different particle density and the diameter size compositions.     

飞行过载下燃烧室凝相粒子沉积特征数值研究

固体发动机燃烧室部分凝相粒子在飞行过载作用下产生沉积,严重影响发动机工作性能。通过确定燃烧室粒子参数和建立燃烧室内两相流场数值方法,获得了发动机不同轴向过载下粒子运动及沉积规律。与试验数据进行对比分析,验证了计算方法的准确性。数值结果表明,随着轴向过载增大,后封头及喷管潜入段粒子沉积质量逐渐增大。沉积粒子粒径大于凝相粒子平均值,即粒子粒径越大,越容易沉积。轴向过载增大,减小了粒子在发动机内部的驻留时间,凝相粒子平均驻留时间均大于0.13 s。