固体火箭喷管烧蚀和传热的基本问题

总结固体火箭复合结构全喷管烧蚀和传热计算中的基本问题:二相跨音速喷管粘流,燃气与喷管壁面的换热,不同材料的热化学烧蚀模型,粒子侵蚀,烧蚀控制机制,移动边界下的瞬时导热,烧蚀与传热的耦合,复合结构全喷管烧蚀和传热的CAD,以及测试等。在解决基本问题的基础上,对复合结构全喷管可获得其烧蚀率和温度分布。     

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

喉衬传热的差分近似计算

固体火箭发动机喷管喉衬传热计算要求确定燃气传给喷管壁的热流量井计算喉衬壁中的热传导。对碳基喉衬,不考虑其微量烧蚀及附面层内化学反应效应时,对流换热系数常用巴兹快速估算公式;轴对称喉衬壁中温度分布及其随时间的变化,可以采用把喉衬划分为相互之间热传递忽略不计的众多空心圆管的方法、求解壁中的瞬态热传导。方程的定解条件是初始温度分布、喉衬内外表面的对流换热及不同料层的界面接触方程。 本文给出了求取数值解的显式差分方法及其程序框图。计算结果同地面试车状态下温度测量相当接近,能为工程计算接受。本法尚可用于热物性随温度变化的情况,只是稍微作些补充运算;对单室双推力发动机也同样适用。     

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

固体发动机喷管喉衬温度场测量与分析

为了剥离热化学烧蚀吸热的影响并获取固体火箭发动机喷管结构内部的温度场分布,以锻压钨为材料设计喷管,在喷管喉衬径向的一定位置埋置热电偶来测量喷管结构温度。实验结果表明：采用锻压钨制作喷管,该本实验条件下可以忽略热化学烧蚀对锻压钨喷管喉部换热的影响;实验测量结果符合传热规律,与导热计算结果基本吻合。实验结果真实可信,为喷管喉部对流换热模型的建立、完善提供数据支持和实验验证。     

固体火箭发动机碳基材料喷管热化学烧蚀特性

为了准确预示固体火箭发动机碳基材料喷管的烧蚀率,依据热化学烧蚀理论,建立了喷管传热烧蚀的二维轴对称气-固-热耦合计算模型,计算通过FLUENT壁面化学反应模型完成,无需事先假设烧蚀控制机制。针对70-lb BATES发动机喷管进行了烧蚀计算,研究了推进剂配方、氧化性组分、燃烧室压强对喷管烧蚀的影响。结果表明:烧蚀率计算值与试验测试值吻合较好;烧蚀率分布遵循喷管内壁热流密度分布规律,在喉部上游入口处达到峰值;烧蚀率随推进剂Al含量增加而降低,随燃烧室压强升高而近似正比例增大;H2O是决定烧蚀的主要氧化性组分。     

三氧化二铝沉积层厚度随时间变化的传热理论解

本文根据传热理论建立了固体火箭发动机喷管三氧化二铝沉积规律的数学模型,并求得了喷管壁内和沉积层内的温度分布。又根据沉积层厚度的定义确定了沉积层厚度随时间变化的解析解。数值计算结果与实验的比较表明,理论计算得到的基本规律和实验相符。     

高粘度SiO_2材料烧蚀传热机理及试验验证

通过对高粘度SiO2材料的烧蚀及传热分析,建立了硅基材料的固体层一液体层的耦合烧蚀计算方法.给出了材料烧蚀过程中烧蚀速度、液层厚度、液层温度及固体温度的表达式及求解方法,并把计算结果与电弧加热器平板烧蚀试验的液层厚度分布及烧蚀量的精确测量结果进行了对比.结果表明新模型的液层厚度及烧蚀量与实验结果符合很好.     

电离空气环境中碳化材料的烧蚀

本文给出了电离空气环境中碳化材料热化学烧蚀参数的计算方法。由于采用了比较精确的传递系数关联公式和改进了烧蚀表面气体成分的计算方法,因而可以用相当简单的方法得到与耦合(化学反应边界层与烧蚀表面耦合)计算非常符合的结果。本文方法可以得到碳化材料烧蚀表面气体的电离特性;为烧蚀电离边界层计算提供壁面边界条件。也可以用来进行热防护设计。     

复合结构喷管烧蚀形貌的测定及其对流场的影响

为研究烧蚀形貌对固体火箭发动机喷管的影响,采用激光扫描技术对石墨/高硅氧复合结构喷管的烧蚀形貌进行了测量,测量结果显示:两种热防护材料的交界面处产生了烧蚀台阶,收敛段内烧蚀台阶在两种材料的交界面处,而扩张段内的烧蚀台阶在交界面下游。根据所测喷管的平均烧蚀速率,反推出3个不同时刻喷管的烧蚀型面,并以此为模型对流场进行数值模拟,研究烧蚀引起的喷管型面变化对喷管内流场、壁面传热及发动机性能造成的影响,计算结果表明:扩张段内的烧蚀台阶处会产生回流区,加剧当地对流换热,台阶附近还会形成膨胀波和斜激波,对主流区域造成显著影响;而收敛段内的烧蚀台阶对主流区影响较小,与烧蚀前相比,此处台阶上游对流换热强度减弱;烧蚀台阶的出现会改变喷管壁面处的压力分布,导致发动机出现推力损失。     

Infrared radiation signature of exhaust plume from solid propellants with different energy characteristics

The infrared radiation signature of the plume from solid propellants with different energy characteristics is not the same. Three kinds of double-base propellants of different energy characteristics are chosen to measure the infrared spectral radiance from 1000 cm 1 to 4500 cm 1 of their plumes. The radiative spectrum is obtained in the tests. The experimental results indicate that the infrared radiation of the plume is determined by the energy characteristics of the propellant. The radiative transfer calculation models of the exhaust plume for the solid propellants are established. By including the chemical reaction source term and the radiation source term into the energy equation, the plume field and the radiative transfer are solved in a coupled way. The calculated results are consistent with the experimental data, so the reliability of the models is confirmed. The temperature distribution and the extent of the afterburning of the plume are distinct for the propellants of different energy characteristics, therefore the plume radiation varies for different propellants. The temperature of the fluid cell in the plume will increase or decrease to some extent by the influence of the radiation term.     

固体推进剂瞬态燃烧模型及其在液体喷射熄火研究中的应用

本文提出了一种固体推进剂瞬态燃烧模型。它考虑了凝相分布化学反应和辐射热流的深层吸收。以及燃面上的能量损失 ;在气相发展了空间分布厚火焰模型以求得有蒸汽掺混情况下的火焰热反馈。运用该模型能统一揭示快速降压、降热辐射和液体喷射等多种外界扰动下 ,推进剂的瞬变燃烧行为和熄火所需的临界参数。对液体喷射工况下进行的理论预示与实验结果相一致。     

基于细观颗粒夹杂模型的固体推进剂导热系数预测

为准确预测固体推进剂的导热系数,采用了分子动力学方法对高填充比固体推进剂细观模型进行建模.利用有限元理论对固体推进剂细观模型稳态热传导进行计算,结合计算细观力学均匀化方法,计算了固体推进剂细观模型的均匀温度和热流密度.根据计算所得的平均温度和平均热流密度值求解稳态热传导方程,得到了两相和三相固体推进剂的宏观等效导热系数.其中,两相固体推进剂的仿真结果与试验结果的误差只有3.63%.结果表明:在预测固体推进剂导热系数时,采用固体推进剂的颗粒夹杂模型可以充分考虑粒径大小、颗粒随机分布的影响,更真实地反映固体推进剂的微结构特征,计算结果准确可靠.      

改性双基推进剂燃速温度敏感度的讨论

本文评述和讨论了改性双基推进剂的燃速温度敏感度问题.双基推进剂中引入硝胺炸药和细粒度高氯酸铵,能显著降低推进剂的燃速温度敏感度.这是因为它们本身具有较高的热稳定性,同时对推进剂基体的物理结构和化学动力学特性产生了影响.凝聚相的作用是主要的,气相的作用是次要的.     

波瓣喷管红外抑制系统的实验研究

在电加热风洞上对不同的引射流量比和遮挡间距进行了混合流出口的总温分布和混合管及遮挡套壁面温度分布的测试。结果表明：冷气掺混具有降低排气温度和混合管壁面温度的双重作用,其降温效果在大引射流量比下更为显著;当遮挡间距大于２０ｍｍ时,遮挡隔热可以使遮挡套壁温接近于环境温度。同时,在燃烧设备上对一典型结构的波瓣喷管红外抑制系统进行了尾焰辐射亮度和总体辐射强度测试,证实其可显著地降低红外辐射。     

轴对称喷管内外流场与结构温度场耦合计算

利用有限体积的对流项二次迎风插值格式和重整化群(RNG)k-ε湍流模型,二层增强型壁面函数,同时利用球形谐波法考虑热辐射的影响,以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程。采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交换数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静止的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟,计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好。在此基础上,进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。     

含铝复合推进剂燃速计算研究

本文专门探讨了利用 PEM模型计算含铝复合推进剂的燃速和压强指数。文中提出一种确定假想推进剂配方的新方法 ,并以此为基础建立了一个扩展和改进的 PEM模型 ,利用该模型计算了含铝推进剂的燃速和压强指数     

“AP/HTPB/Al/催化剂”推进剂燃烧模拟计算方法

本文以我们在文献[1～4]中提出的“AP/HTPB/Al”推进剂燃烧模型为基础,首先讨论了催化剂作用部位与推进剂燃速、压力指数变化的关系,然后引入一个催化剂作用因子B.并以二茂铁系列催化剂为例,对模型中的几个与二茂铁催化剂作用部位相连系的反应动力学参数作“催化作用因子”校正,计算研究了四种二茂铁催化剂用量对燃速、压力指数的影响规律.计算结果与实验符合得很好,相对误差均小于±10%,证明本文提出的模拟计算方法具有较高的可靠性.     

纤维素甘油醚硝酸酯粘合剂及其推进剂的力学性能

利用X-ray衍射、拉伸实验和动态力学性能DMA实验研究了纤维素甘油醚硝酸酯(NGEC)的结晶度、NGEC及其推进剂的力学性能和动态力学性能,借助扫描电镜观察了NGEC基改性双基推进剂的断裂形貌,并通过流动性实验探索了NGEC全部与部分取代NC的改性双基推进剂的热加工工艺性能。结果表明:与NC相比,NGEC的结晶度和力学强度略低、延伸率较高、玻璃化转变温度低且转变温度范围宽;加入NGEC,可降低高固体含量改性双基推进剂的脱湿现象,有利于提高其力学性能;粘合剂体系中NGEC的含量对其改性双基推进剂的玻璃化转变的α松弛影响较大,随着NGEC含量的增加α松弛温度明显降低,而对β松弛的影响较小;与NC相比,NGEC的加入降低了改性双基推进剂的流动性实验出药压力,提高了出药速度,具有良好的热塑性及热加工安全性。     

双基推进剂压力响应函数的实验研究

讨论了可控式T型燃烧器测量推进剂压力耦合响应函数的原理及方法,列出三种双基推进剂在各种温度、频率和压力下的测量结果。