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。     

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。     

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.      

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。     

固体火箭发动机复合结构喷管的传热及烧蚀研究的现状

一、概述 固体火箭发动机的喷管一般是无冷却的。随着推进剂能量的提高,喷管受热很严重。一般含铝粉的CTPB推进剂,燃烧温度可达3500°K,燃气沿喷管膨胀加速产生推力,同时,炽热的燃气流使喷管受热,以临界截面处最为严重,因此,必须考虑特殊的耐烧蚀材料。另外,喷管作为固体火箭发动机的部件,还必须考虑其他要求,如重量、经济性、强度(结构完整性)等。所以产生了复合结构喷管的设计。 复合结构一般包含与燃气直接接触,构成燃气流动边界的内层,称为烧蚀层、中间绝热层及喷管结构本体。     

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。     

固体火箭喷管中的烧蚀控制机制

对碳基材料,以热化学烧蚀三方程模型为基础,在考虑粒子侵蚀,烧蚀与传热耦合的情况下,进行了全喷管烧蚀控制机制的研究,喷管中的烧蚀控制机制有化学动力学控制,扩散控制和双控制三种机制。通过研究,得到如下结论:1)对于由扩散控制和化学动力学控制确定的烧蚀率相差约20倍以上时,可以简化为按烧蚀率低的一种控制机制来计算;否则,应当按既考虑扩散控制,又考虑化学动力学控制的双控制机制来计算。2)在固体火箭喷管中,大体上喉部和扩张段的烧蚀是化学动力学控制的,而收敛段的烧蚀是由扩散控制的。3)由于在收敛段由两种机制控制的烧蚀率相差较小,因此,在收敛段的烧蚀率应当按双控制机制来计算。喉部和扩张段的烧蚀可简化为动力学控制机制。     

复合喷管热结构耦合计算的一种新的策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种新的策略。利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面间高温碳化带来的结构边界非线性因素。计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高温下界面间结构功能退化问题对于变形特征以及应力场影响很显著。     

长尾喷管传热及烧蚀特性研究

针对长尾喷管的热防护问题,本文采用实验和数值仿真结合的方法,研究了采用SQ-2推进剂固体火箭发动机复合结构长尾喷管的传热以及烧蚀特性。仿真程序采用基于格心的有限体积法,对流体域求解Navier-Stokes方程,对固体域求解热传导方程,湍流模型采用k-ω SST模型,通过保证热流密度大小相等、温度连续的方法实现耦合传热计算;在以上仿真计算方法的基础上建立了基于热解动力学的变热物性模型描述碳/酚醛材料的体积烧蚀,并采用简化的异相反应模型对喷管热化学烧蚀量进行计算。结果表明在收敛段和等直段区域压强变化较小,炭化层厚度和烧蚀量与温度分布相似, 并在距离等直段入口约1.6mm位置达到极小值。碳/酚醛材料炭化速率随时间减小,烧蚀速率随时间增长趋于稳定,而喉衬区域C/C复合材料烧蚀速率随时间增加。     

喷管碳基喉衬的烧蚀

一、计算方法和结果 喷管材料的烧蚀主要是热和化学作用的结果。热量来自碳与燃气中的氧化元素之间的异相化学反应,以及对流和幅射传热。本文中的解析模型用来预测喷管温度分布及烧蚀率。在处理联结核心流及喷管壁面的边界层流动时,把传热传质数值作为壁内导热计算的输入数据。边界层的边界条件是由一维无粘定常流的解来确定的。在材料响应的分析中介入了幅射边界条件,在UTC数据上引入了一个有效辐射系数。用有限元计算方法求解瞬态热传导方程来确定喷管壁内温度分布随时间的变化关系。     

喷管扩张段烧蚀的“台阶效应”计算

当喉衬和扩张段内衬采用具有不同烧蚀率的材料时,常出现“台阶效应”.本文以气动热化学烧蚀机理为基楚,提出应用适当的对流换热和加剧的化学反应计算对台阶效应区进行修正的方法,使台阶效应区的烧蚀率预示更切合实际工况.     

高硅氧/酚醛喷管扩张段的温度场计算与测定

本文通过圆柱座标系径向瞬时热传导偏微分方程,对喷管硅基内衬扩张段进行了温度分布数值计算.喷管结构是以石墨为喉衬,高硅氧/酚醛为收敛段、扩张段内衬,并为喉部背衬;壳体是钢.计算中考虑材料烧蚀时形成炭化层、热解层、原始材料层等多层结构,以及烧蚀边界的退移和材料物性随温度的变化.通过座标变换,将移动边界问题转化为定边界问题,计算结果与实验结果吻合良好.     

硅基内衬喷管扩张段烧蚀和温度场的耦合计算方法

本文叙述固体火箭喷管扩张段硅基内衬烧蚀和温度场的耦合计算方法.烧蚀采用非定常的液体层烧蚀模型;温度场计算采用圆柱坐标系下的一维径向瞬态导热模型,考虑材料在高温下形成的炭化层和热解层,而由烧蚀产生的边界移动问题用坐标变换的方法处理.利用烧蚀和导热计算方程组中二者的结合部,通过充分耦合,获得了更准确的预示计算结果.     

固体火箭发动机内轴对称两相流场的一体化数值模拟

将固体火箭发动机燃烧室和喷管作为一个整体，应用时间相关法进行了轴对称两相流场的一体化数值模拟。对气相采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式差分格式，对颗粒相则采用特征线法进行计算。计算结果表明该方法可以对带潜入式喷管的发动机内复杂的两相流场进行有效的数值模拟。     

Nitrous oxide cooling in hybrid rocket nozzles

The Department of Mechanical Engineering at the California Polytechnic State University, San Luis Obispo, has developed an innovative program of experimental research and development on hybrid rocket motors (where the fuel and the oxidizer are in different phases prior to combustion). One project currently underway involves the development of aerospike nozzles for such motors. These nozzles, however, are even more susceptible to throat ablation than regular converging–diverging nozzles, due the nature of their flow expansion mechanism. This paper presents the result of a recent development project focused on reducing throat ablation in hybrid rocket motor nozzles. Although the method is specifically targeted at increasing the life and operating range of aerospike nozzles, this paper describes its proof-of-concept implementation on conventional nozzles. The method is based on a regenerative cooling mechanism that differs in practice from that used in liquid propellant motors. A series of experimental tests demonstrate that this new method is not only effective at reducing damage in the most ablative region of the nozzle, but that the nozzle can survive multiple test runs.     

烧蚀反应动力学参数的确定

本文提出了一种理论模型与实验相结合确定碳基材料烧蚀反应动力学参数(活化能和指前因子)的方法。首先建立了碳基材料热化学烧蚀的湍流边界层模型,运用数值方法对边界层守恒方程组、表面烧蚀和固相热传导进行耦合求解,计算过程中不需要事先假设烧蚀的控制类型。其次,在电弧加热器中模拟火箭发动机喷喉的烧蚀环境进行烧蚀材料与氧化性气体反应的烧蚀实验。最后,运用所建立的模型和在电弧加热器上的实验结果进行预测比较,确定烧蚀反应的动力学参数。作为实例,确定了石墨与CO_2的烧蚀反应的动力学参数。     

固体发动机喷管内两相流的有限元数值模拟

本文给出了固体发动机喷管内两相流的数值模似。从非守恒型两相流甚本方程出发,采用加权积分技术,导出了离散点的流动物理量的有限元数值计算公式。数值模拟分别与JPL喷管的两相流壁面静压分布测量结果以及与差分法计算结果作了比较,比较结果表明:二者是吻合的。本文还以中型喷管为例,计算了粒子的轨迹,粒子的速度滞后和燃气的温度滞后,计算结果表明;入口粒子冲击角对粒子轨迹有明显的影响。     

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

固体火箭喷管颗粒尺寸分级两相跨音速流场计算

本文中对固体火箭喷管颗粒尺寸分级的两相跨音速流场作了计算.气相控制方程采用隐式近似因子分解法求解,尺寸分级的颗粒控制方程采用特征线求解,然后,二者进行充分的耦合,可以获得固体火箭发动机含有任意颗粒质量分数和不同颗粒尺寸时轴对称喷管跨音速流场的参数分布.文中讨论了不同颗粒半径和质量分数对流场的影响,对单一颗粒尺寸和颗粒尺寸分级的参数进行了比较.两相耦合计算的迭代收敛速度取决于气相,本文中气相方程求解的格式除部分边界外是隐式的,CFL数可取至6左右,收敛速度快.特别是对颗粒尺寸分级的计算,得益更大,其得益的倍数为颗粒的分级数.