基于快速最近邻搜索的固体火箭发动机装药燃面计算

燃面计算是固体发动机性能仿真的重要环节，为快速求解固体发动机复杂三维装药燃面推移规律，在柱坐标下进行基于快速最近邻搜索的燃面计算方法研究。利用固体发动机装药对称性，构建柱坐标系下燃面计算框架，实现计算域缩减；采用点云数据代替面元的初始燃面表征和提取，结合k-d树完成散乱点云的有序化组织。在此基础上，提出基于快速最近邻搜索的最小距离函数快速计算方法，通过建立柱坐标下燃去体积通用积分公式，完成了任意燃去厚度时的燃面位置、面积及装药质量特性计算。使用该方法对不同几何构型的装药进行了计算，结果表明，在1s以内的计算耗时下，计算误差均小于1%，说明本方法对于复杂三维装药燃面具有较好通用性、较高精度和计算效率。     

旋转条件下大长径比固体火箭发动机三维内流场数值模拟

根据燃面的平行层推移原理,获得了某大长径比固体火箭发动机装药燃面变化过程。采用有限体积法计算了发动机在旋转飞行状态下的三维稳态流场,着重分析了不同时刻药柱开槽部分和燃烧室尾部的流速、流迹分布及其对发动机正常工作的影响,认为发动机尾部热防护以及药柱悬臂段强度是保证其正常工作的关键因素。     

突变截面燃烧室声腔纵向振荡频率规律分析

将药柱贴壁浇注的固体火箭发动机燃烧室简化为中间管型药两端容腔的形式,建立了突变截面H型声腔的物理模型,求解了此种声腔纵向振频的理论解和有限元解,以对称声腔与非对称声腔为对象,分析了一些关键几何尺寸对纵向声振频率变化的影响规律.计算结果表明,声振频率受装药长度与燃烧室长度的比值、装药内外径比值以及药柱浇注位置的共同影响.从合理的装药装填率考虑,初始振荡频率小于圆柱型声腔的振频,并随燃面退移连续增大.      

端面燃烧药柱的燃速增大特性

本文综述了近年来国外研究端面燃烧固体火箭发动机中药柱的燃速增大特性所取得的最新成果.在一些端面燃烧装药的固体火箭发动机中,平面的燃烧端面往在演变成锥形燃烧面.实验表明:产生这种现象的主要原因是推进剂中可移动组分的迁移,细颗粒在界面高度集中,以及推进剂的应变造成的.文中还介绍了控制燃速增大,避免在燃烧过程中出现瞬态锥面的各种方法及其实验结果.     

星孔药柱设计研究

推导了星孔药柱尾部装药和剩药燃面计算公式,提出了采用粗略内弹道计算优选药柱参数的设计方法,应用改进的一维准定常流动模型进行了精确内弹道计算,并与实验值进行了比较。计算结果和实验结果十分吻合,压强相对误差小于5％。本文提出的设计方法已成功应用于发动机设计中,大大减少了实验次数,节省了研制经费。本方法可适合于其它内孔燃烧发动机的装药设计。     

端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题研究

本文论述了端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题,总结和分析了端面燃烧固体火箭发动机产生爆炸的重要原因.实验表明:在选择端面燃烧装药的初始增面率时,采用木制假药柱和推进剂短药柱构成的装药会给实验结果带来很大的偏差,导致选出不合适的初始增面率,把它应用在相同尺寸的固体推进剂端面燃烧药柱中时,将会引起发动机产生爆炸.     

基于单元法的三维装药通用燃面计算

提出了一种应用于三维装药的通用燃面计算方法——单元法。该方法认为装药由有限个体积微元组成,而燃面由有限个面积微元组成。在任一时刻,装药的燃烧可以看成是燃面上的面积微元沿其法向推进,而体积微元距离燃面的最近距离可以判定该体积微元在燃烧过程中是否燃尽,发动机装药的燃面通过对相邻肉厚的体积微分获得。采用该计算方法不仅避免了大量的数学公式推导,也避免了内型面标准几何体的复杂定义。燃面计算结果表明,其计算精度足以满足一般工程计算的需要。由于该方法方便快速,且能应用于任何三维装药的燃面计算,所以具有较好的应用前景。     

三维燃烧移动边界计算网格示踪技术

以任意设计的固体火箭发动机装药几何形状为对象,分析研究了燃面燃烧移动的基本规律,提出了一种三维复杂燃烧移动边界的示踪方法。它可以用于流场计算、发动机性能预示计算和侵蚀燃烧计算中,也可以发展成为一种燃面计算的新方法。文中以假想三维局部翼形装药为例进行了数值计算。     

温度载荷下装药内外径比和长径比对结构完整性影响的规律研究

在固体火箭发动机装药设计中通常将药柱的外径与内径之比定义为m数(m=R/r)为研究装药设计参数m数和药柱长径比在温度载荷下对装药结构完整性的影响, 采用基于Total Lagrangian方法的热粘弹性大变形增量本构关系, 通过选取9种m数以及8种药柱长径比, 共72个计算模型, 对装药结构完整性进行了计算, 结果表明温度载荷下药柱最大Von Mises等效应力、应变值受药柱m数以及长径比共同影响.并得出当长径比大于3时, 药柱最大等效应力、应变值主要取决于m数的结论.      

大过载下固体火箭发动机内弹道计算

大过载会对固体火箭发动机装药燃烧产生很大的影响。采用基于加速度的装药燃速增强模型,通过水平集(Level set)算法对非均匀燃速下的复杂燃面非平行层推移过程进行计算,得到了大过载下的内弹道性能.计算结果表明:过载对发动机内弹道影响不大,在过载作用方向上装药燃速增加,可能导致装药出现偏烧,绝热层提前暴露,造成该处烧蚀加剧.      

三维组合药型单室双推力发动机燃面与内弹道计算

基于有限容积的思想，构造任意形状的三维药柱燃面退移通用计算方法，并推广应用于嵌金属丝推进剂的燃面计算。计算过程只关心燃面的始态和终态，可完全避开错综复杂的几何燃面变化规律，实现任意药型下多推进剂、变燃速燃面退移的计算机数值模拟。在此基础上，对三维组合药型单室双推力发动机进行了喉部烧蚀条件下的内弹道计算，同时与试验结果进行比较，取得了较好的效果。     

Internal ballistic simulation of multi-burning-rate solid rocket motor based on parameterized feature CAD modelInternal ballistic simulation of multi-burning-rate solid rocket motor based on parameterized feature CAD model

Internal ballistic simulation(IBS)method of multi-burning-rate solid rocket motor(SRM)was developed based on 3-D burning regression method by parameterized feature CAD model(PFCADM)and lumped parameter,in consideration of time-dependent,erosive-burning-effect from internal ballistic numerical algorithm.By driving multi-parameter CAD model based on PFCADM,the approach is capable of conducting the geometric regression simulation of various grain combinations of complex configurations with different burning rates.Through suitably simplifying the internal ballistic numerical algorithm,the problems of coupling geometric regression simulation of sub-grains of different burning rates and high computational consumption of internal ballistic calculation were solved.One tri-burning-rate grain motor,which had been firing-tested,was used as the validation case of simulation.The results show that,with the 3-D grain regression model and sufficient accurate internal ballistic algorithm,the method realizes IBS of the case in low computationalconsumption prediction of its performance within the accuracy of 2% during 1hclock-time.The application of the method provides a practical approach to aid SRM design of multi-burning-rate grain.     

Internal ballistic simulation of multi-burning-rate solid rocket motor based on parameterized feature CAD model

Internal ballistic simulation (IBS) method of multi-burning-rate solid rocket motor (SRM) was developed based on 3-D burning regression method by parameterized feature CAD model (PFCADM) and lumped parameter, in consideration of time-dependent, erosive-burning-effect from internal ballistic numerical algorithm. By driving multi-parameter CAD model based on PFCADM, the approach is capable of conducting the geometric regression simulation of various grain combinations of complex configurations with different burning rates. Through suitably simplifying the internal ballistic numerical algorithm, the problems of coupling geometric regression simulation of sub-grains of different burning rates and high computational consumption of internal ballistic calculation were solved. One tri-burning-rate grain motor, which had been firing-tested, was used as the validation case of simulation. The results show that, with the 3-D grain regression model and sufficient accurate internal ballistic algorithm, the method realizes IBS of the case in low computational-consumption prediction of its performance within the accuracy of 2% during 1h clock-time. The application of the method provides a practical approach to aid SRM design of multi-burning-rate grain.      

旋转固体火箭发动机一维内弹道计算

给出了带“锥－柱形”装药的旋转固体火箭发动机的一维内弹道计算方法，其燃速计算采用分析方法，喷管流量采用等熵旋转喷管流的简化方法。所得结果和旋转试车台上实测的实验结果吻合较好，计算和实验表明，“锥－柱形“装药呈现较大速度效应。文中提供了计算方法具有较高预示精度，可推广到其它药型旋转发动机的内弹道计算，对旋转发动机设计具有指导作用。     

Solid rocket motor propellant grain burnback simulation based on fast minimum distance function calculation and improved marching tetrahedron method

To efficiently compute arbitrary propellant grain evolution of the burning surface with uniform and non-uniform burning rate for solid rocket motor, a unified framework of burning surface regression simulation has been developed based on minimum distance function. In order to speed up the computation of the mini-mum distance between grid nodes of grain and the triangular mesh of burning surface, a fast distance querying method based on the equal size cube voxel structure was employed. An improved marching tetrahedron method based on piecewise linear approximation was carried out on second-order tetrahedral elements, achieved high-efficiency and adequate accuracy of burning surface extraction simultaneously. The cases of star grain, finocyl grain, and non-uniform tube grain were studied to verify the proposed method. The observed result indicates that the grain burnback computation method could realize the accurate simulation on unstructured tetrahedral mesh with a desirable performance on computational time.     

星孔装药燃面退移图象显示中的特殊问题

介绍了采用双三次均匀B样条曲面法构造星孔装药燃面退移图象中，夹直纹面的曲面；具有脊线曲面的反算拟合；燃面拟合的边界条件及曲面加密网格的求解等特殊问题。     

星孔装药燃面退移图形显示研究

应用计算机图形学在ＩＢＭ－ＰＣ机上开发了星孔装药燃面退移仿真的图形显示系统。该系统的功能包括：参数曲线的图形显示，装药横截面的二维及装药燃面的三维静态显示，模拟燃面退移的二维动态显示。详细讨论了用直线和圆弧构成装药横截面的二维图形的显示方法及相应的参数和控制点的计算，燃面上三维型值点的计算及图形显示方法，利用三次均匀Ｂ样条和双三次均匀Ｂ样条构造曲线和曲面的方法。     

固体火箭发动机绝热层缺陷对药柱燃面影响的数值模拟

发动机绝热层人工脱粘层局部产生缺陷时,经柱燃面曲线偏离设计曲线,导致发动机２内弹道性能也偏离设计为了模拟这种缺陷对药柱燃面的影响,扩展了原通用坐标程序地计算范围,并又新增加了一些基本图形的算法。改进后的算法可适用于绝热层有或没有缺陷的药柱燃面计算。针对绝热层缺陷建立了三种燃烧模型,计算分析了缺陷类型、结构与位置尺寸对药柱燃面的影响,为分析绝热层有缺陷的发动机性能的基础。     

固体发动机药柱优化设计

首次利用正交试验优化设计方法对固体发动机三维柱进行了优化设计。计算的结果表明这种方法非常有效。在优化模型中，对药柱的燃面计算采用了通用坐标法。这种处理方法使本文的优化设计更为通用。