复合喷管结构温度场流固耦合仿真分析

为了评估复合喷管热防护性能以及获取喷管烧蚀和结构应力分析的工况条件,运用Fluent流体动力学软件,对复合喷管的结构温度场进行了数值仿真。分析中,采用了两方程RNG k?ω湍流模型和增强型壁面函数,利用流固耦合的计算方法,获得了喷管结构瞬态温度场的计算结果,重点分析了结构温度场最终分布状态和初期传播特点,以及喉衬温度随时间的变化规律,估算了喉衬的烧蚀。分析结果表明,喷管结构热防护性能满足要求,温度最高区域位于喷管收敛段中后部,喉衬线烧蚀量约为2．1 mm,为喷管结构进一步优化设计提供了重要参考依据。     

等离子喷涂成型Mo/ZrC复合喷管的烧蚀性能研究

采用化学包覆法制备Mo-(10%) ZrC复合喷涂粉末,采用气氛保护等离子喷涂成形技术结合低压热等静压致密化技术制备内径为8 mm、壁厚16.5 mm、长30 mm的某实验型固体火箭发动机Mo/ZrC复合喷管,测试喷管在地面点火试车条件下的抗热震烧蚀性能。研究结果表明,气氛保护等离子喷涂成形Mo/ZrC复合喷管经1800℃、10 MPa处理60 min后,微细ZrC颗粒均匀分布,断口晶粒仅2～5μm,致密度达94.5%。经1800℃、10 MPa处理300 min后,Mo/ZrC复合喷管由层片结构转化为颗粒状结构,致密度提高至96.8%,显微硬度及拉伸强度分别达259.8 HV0.025及138.9 MPa。地面试车实验后,Mo/ZrC复合喷管整体结构完好,未出现炸裂和破碎现象,抗热震烧蚀性能良好,其线烧蚀率仅为0.18 mm/20 s。地面试车过程中,机械剥蚀、熔化烧蚀及热化学烧蚀等三种烧蚀机制同时发生,Mo/ZrC复合喷管烧蚀程度依次为喉部收敛段扩散段。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

喷管内衬碳／酚醛的烧蚀模型

本文根据气动热化学烧蚀机理建立了固体火箭喷管内衬碳/酚醛的炭化烧蚀模型,并进行了扩张段的烧蚀率和温度分布预示计算.碳/酚醛受热时形成炭化层、热解层和基体层,主流和热解气体中具有氧化性的组分在表面与碳发生异相反应,材料的消耗带走了大量的热,有效地保护了基体.采用化学动力学控制的三方程模型、建立了化学反应质量计算方程;采用多层复合结构的瞬态导热方程和坐标变换的方法处理烧蚀移动边界,温度场计算方程;由壁面上的能量守恒关系,取得了烧蚀和温度场的耦合.通过计算,获得了烧蚀率、壁温随时间和沿喷管扩张段长度的变化,以及喷管扩张段材料内部的温度分布.导热方程用隐式格式求解,大大节省了计算机时.     

固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进展

在固体火箭发动机工作过程中,由于热化学烧蚀和机械剥蚀的作用,将导致发动机喷管产生烧蚀行为,直接关系到固体火箭发动机的结构可靠性。为了较为深入地了解固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀行为及其机理,对国内外固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进行了归纳和总结,详细阐明了喉衬烧蚀试验方法、喉衬烧蚀机理及喉衬烧蚀模型;总结了常用的喉衬烧蚀试验方法,并分析了各自优缺点;从热化学烧蚀和机械剥蚀两方面介绍了喉衬烧蚀模型研究进展,分析了目前喉衬烧蚀模型的研究水平。最后,对固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀需要开展的工作提出了建议,包括发动机烧蚀率的试验评估方法,喉衬耦合烧蚀计算方法及过载条件对喷管烧蚀的影响规律等,以期为后续研究工作提供一定的借鉴和参考。     

轴编C/C复合材料喉衬的多尺度烧蚀分析方法

针对轴编C/C复合材料的结构形式和烧蚀机理,建立了喷管喉衬烧蚀的多尺度分析方法。通过宏观-微观的渐进分析,获得了喷管喉衬的烧蚀率和烧蚀形貌。数值模型反映了喷管热反应边界均匀反应、流场参数、燃气传质过程和材料微观烧蚀对喉衬烧蚀性能的影响。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明所建立的数值模型可有效预测轴编C/C复合材料喉衬的烧蚀性能。     

喷管扩张段绝热层的烧蚀计算

固体火箭发动机喷管的烧蚀预示是喷管结构分析的重要一环，本文用有限元法计算了喷管扩张段绝热层的烧蚀，计算中了对流换热１、材料热解及烧蚀吸热。计算结果与发动机热试车解决结果相近。     

喷管内型面烧蚀对发动机能量的影响

根据同一推进剂不同结构的两种型号发动机的试验结果，分析了喷管内型面烧蚀对发动机能量影响，提出了在两种烧蚀率相差较大的材料之间镶嵌一种烧蚀率适中的材料，可减少喷管内型面的烧蚀，提高喷管推力效率。     

石墨渗铜材料的烧蚀模型探索

根据石墨渗铜材料的特点,探索了它的烧蚀和传热模型。认为烧蚀计算可以不考虑铜与燃气的化学反应;导热计算按铜的液相、熔化、固相三层进行.在碳基材料热化学烧蚀模型和移动边界下当量热容瞬态导热方程隐式求解的基础上,对于石墨渗铜喉衬的复合结构全喷管进行了考虑粒子侵蚀下烧蚀与传热耦合的计算.     

固体火箭发动机喉部烧蚀的计算机模拟

根据已知的固体发动机地面静止试验的喷管喉部瞬时烧蚀数据,建立了数字时间序列分析方法,获得了喉部烧蚀规律的数学统计模型,并用蒙特卡罗法对其喷管喉部烧蚀进行了计算机模拟,计算结果与实际结果相符。     

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。     

采用高低燃温组合装药降低喷管内表面温度和烧蚀研究

根据不同推进剂及目前热防护材料的性能特点,采用了一种组合药柱的新方法,用来降低喷管内表面的温度和烧蚀率。该方法的主要设计思路是将药柱形式分为前后两段,靠近发动机头部段使用高能推进剂,靠近喷管段使用低燃温推进剂。低燃温推进剂占总推进剂质量百分比的很少一部分。使用这样的组合药柱形式,低燃温推进剂燃烧产生的气体会在喷管内表面形成一层低温帘幕,从而降低喷管内表面的温度和烧蚀率,使高能推进剂在固体火箭发动机设计上得到应用,并有助于提高发动机的质量比。     

发动机喷管喉衬烧蚀及热结构工程计算

给出了一种理论模型和基本计算方法。采用有限元法对某固体火箭发动机喉衬结构的烧蚀量、瞬态温度场和应力场进行了理论计算,计算结果与实测值比较一致,喉部直径实测值与计算值相对误差约为2％。     

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。     

固体发动机燃烧室离散相颗粒相变对喉衬烧蚀的影响

针对喉衬烧蚀试验中高燃温推进荆对喉衬烧蚀较普通推进剂偏小的现象,采用Euler-Lagrangian方法,对燃烧室内离散相颗粒的传热和相变过程进行数值分析,对烧蚀偏小现象给出了理论解释.分析结果表明,在发动机燃烧室内的高温环境(4000 K)下,约有离散项总质量40%左右的颗粒发生相变成为气体,大部分离散相颗粒从喷管迟逸;离散项颗粒的相变,一方面会减弱对喉衬的烧蚀,另一方面会造成燃烧室内温度等参数分布的不均匀.     

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.     

双燃速星孔药柱长尾喷管发动机三维两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日两相方法模拟了带长尾喷管的固体火箭发动机三维两相内流场。在同位网格基础上用有限体积法离散N-S方程,采用不完全LU分解预处理B iCGStab算法求解线性代数方程组,通过可压缩SIMPLE算法求解气相流场。用PSIC方法进行气粒耦合计算,得到了气粒两相的速度、温度等参数的分布以及不同尺寸的A l2O3粒子运动轨迹。计算结果表明,在发动机工作初期气粒两相流场呈现强三维特征,长尾管中后段、喷管收敛段以及燃烧室后封头等部位是烧蚀最严重的部位。     

C/C喉衬热反应边界层内组分分布数值分析

为研究C/C喉衬热反应边界层内的组分浓度梯度变化规律,基于C/C喉衬的热化学烧蚀理论,建立了组分输运方程。采用有限速率化学反应模型,对C/C喉衬热反应边界层内的组分分布进行了数值研究。计算结果表明,喷管喉部的热化学烧蚀反应最为剧烈,边界层内的热化学烧蚀反应由化学动力学与组分扩散共同控制。推进剂中含铝与否对组分分布影响较大,燃烧室压强及喷管尺寸影响较小。     

固体火箭发动机喷管结构完整性分析

通过计算温度场和应力场,分析了喷管在发动机工作过程中的结构完整性。将燃气简化为一维等熵流,以确定喷管内型面所承受的温度和压强载荷。基于三维有限元模型,计算了喷管的瞬时温度场。然后,将温度场分析结果导入结构分析模型,用点．点接触单元模拟喷管材料之间的接触状态,对温度和压强载荷联合作用下的应力场进行了分析。结果表明,喷管结构是安全的。     

沉积速率及其对喷管壁温影响的理论研究

固体火箭发动机喷管的沉积不仅影响发动机工作性能也影响喷管壁表面和壁内的温度随时间的变化规律,本文根据沉积过程的传热模型计算了三氧化二铝在固体火箭发动机喷管喉部的沉积速率,与实验结果相符合,并计算了在沉积过程中喷管壁内温度分布随时间的变化过程,数值计算表明,在沉积的初始阶段由于凝相粒子所释放的热量将增加向喷管壁内的传热,温度上升比没有沉积时要快,随着沉积层的加厚逐渐阻挡气相向喷管壁的传热,而使壁内的温度随时间的增加有一个峰,理论与实验结论一致。