无喷管火箭发动机非定常跨音流场计算

本文对点火过程进行一定处理,用MacCormark显示预校两步差分格式计算无喷管火箭发动机从点火起整个工作过程的一维非定常跨音速流场。计算并对比了圆柱内孔装药及片形装药两种情况,计算结果规律性好,与现有实验数据符合较好。     

固体火箭发动机喷管阻尼特性的数值仿真

为了探究影响固体火箭发动机喷管阻尼特性的关键因素,基于典型柱状装药固体火箭发动机二维简化模型,利用脉冲衰减法,开展喷管阻尼特性数值仿真计算,研究了喉通比和燃烧室长度对喷管阻尼常数的影响规律,结果发现数值模拟结果与经验公式理论预估结果有较好的一致性,证实了该数值方法的有效性;在此基础上,进一步探讨了无法由经验公式直接获知的诸如喷管收敛半角以及收敛型面对喷管阻尼常数的影响规律,结果表明:收敛半角对喷管阻尼常数有很大的影响,在设计范围内,较小的收敛角有益于提高喷管阻尼特性;收敛段型面对喷管阻尼也有一定的影响,凸型型面阻尼特性优于锥型型面,锥形型面优于凹形型面.      

无喷管固体发动机装药技术研究

为提高无喷管发动机的比冲，从装药角度研究了在低燃速推进剂配方中加入短纤维以提高推进剂的抗冲刷性能，采用装药＂喷管＂收敛段的倒锥形造型技术及两种不同燃速推进剂的同心层装药，使无喷管发动机的比冲稳定在１８８２．０～１９８９．０Ｎ·ｓ／ｋｇ，满足了预定要求。与有喷管同类型发动机的内弹道性能比较，无喷管发动机的总冲量达到相当高的水平。     

热水火箭发动机非稳态工作过程数值模拟

为了更好地了解热水火箭发动机的工作特性,建立了热水火箭发动机内流场的数值计算模型,对发动机非稳态的工作过程进行模拟,并与实验数据对比进行验证。通过对发动机工作过程的研究,发现在发动机工作过程中,喷管之前相变较缓慢,而在喷管中相变比较剧烈,从而使得喷管部分的气体体积分数梯度较大,越靠近出口,气体体积分数越大,出口气体体积分数高达90%以上,其温度越低。发动机内部压力首先急剧降到初始温度对应的饱和压强,然后缓慢降低。把热水火箭发动机的工作过程分为三个阶段:初始段、中间段和拖尾段。发动机的总冲主要集中在中间段,约占总比冲的70%以上。     

无喷管火箭发动机

本文综合现有的无喷管火箭发动机研究的成果,评述其优缺点.在此基础上,对无喷管发动机的工作特点和主要影响因素,如点火、燃烧、装药变形及两相流动等,进行了分析,以及讨论了无喷管发动机内弹道计算的有关问题.     

潜入式喷管对固体火箭发动机工作稳定性影响

为了揭示潜入式喷管对固体火箭发动机工作稳定性的影响,基于VKI(Von Karman Institute for Fluid Dynamics)模型发动机,利用大涡模拟数值方法与脉冲衰减法,计算分析了潜入式喷管对涡声耦合特性及喷管阻尼的影响。结果表明:在存在障碍物旋涡脱落的条件下,潜入式空腔能够加剧涡声耦合强度,继而诱发明显的压力振荡,含有潜入式空腔模型内的压力振幅是不含潜入式空腔模型下的4倍左右;潜入式喷管削弱了发动机的阻尼特性,无潜入式空腔的喷管阻尼比含潜入式空腔的喷管阻尼提高了8.6%左右,而且喷管阻尼随着潜入式空腔体积的增大基本呈线性减小趋势。潜入式喷管一般而言不利于发动机工作稳定性。     

温度及压强对火箭发动机喷管阻尼的影响研究

为探索燃气温度与燃烧室工作压强对固体火箭发动机喷管阻尼特性的影响,同时为了对冷流试验的改进及不稳定燃烧研究提供相应的理论指导,基于Buffum冷流试验发动机的二维模型,利用脉冲衰减法,开展喷管阻尼特性数值仿真计算。结果分析表明燃气温度对喷管阻尼有很大影响,而燃烧室工作压强对其几乎没有影响。燃气温度越高,切断脉冲后,压力振荡衰减越快,即喷管阻尼衰减系数越大;不同工作压强下,切断脉冲后,压力振荡衰减速度几乎不变,即发动机喷管阻尼衰减常数几乎不变。     

长期贮存条件下固体发动机药柱应力分析

固体火箭发动机在贮存过程中壳体和推进剂共同承担各种复杂随机载荷,这些载荷的作用会引起推进剂装药力学性能的变化,从而直接危及发动机工作的可靠性。论文选用随机温度载荷为计算背景,并以通用有限元软件为平台,建立了固体发动机结构模型,通过仿真得到了发动机药柱在随机温度载荷下的等效应力变化规律。     

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。     

并联式TBCC发动机进排气系统气动特性研究

针对一并联式涡轮基组合循环(TBCC)发动机进排气系统的气动方案,对其从涡轮向冲压模态转换过程中的典型工作点上的流场进行了数值模拟。结果显示:模态转换中涡轮发动机进气道的流量系数逐渐下降,反压承受能力逐渐减弱,冲压发动机进气道的流量系数逐渐增加。模态转换中,涡轮发动机喷管在不同落压比(NPR=20⁸0)下均无明显流动分离现象;冲压发动机喷管分离区逐渐减小,且随着落压比的增加分离程度逐渐减弱。     

固体火箭发动机燃烧不稳定研究进展与展望

燃烧不稳定问题是今后相当长一段时间内固体火箭发动机燃烧流动领域需要解决的重要问题。由燃烧响应主导的燃烧不稳定问题具有很典型的非线性燃烧不稳定特征,是当前研究的重点与难点。采用非线性方法开展固体火箭发动机的非线性动力学分析,可以获得非线性燃烧不稳定的触发条件与稳定性区间,以及不稳定的增长过程和最终达到的极限环振荡状态。压强耦合响应、速度耦合响应、分布式燃烧、粒子阻尼和喷管阻尼是燃烧不稳定分析中重要的增益和阻尼项,在非线性燃烧不稳定分析中,这些增益与阻尼同样需要非线性表达式,需要开展精细的实验研究和理论分析,以获得更符合发动机实际工作状况的推进剂燃烧响应和铝分布式燃烧的非线性模型。深刻认识压强振荡增长过程中各阶模态间能量的传递规律,是揭示非线性不稳定触发机理和极限环形成过程的关键所在。在实验验证技术方面,需要建立起地面实验外部激励和飞试状态实际激励环境的等效分析方法,发展能够有效模拟实际飞行时发动机燃烧不稳定环境的地面等效模拟实验方法。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

四种防热材料的烧蚀侵蚀试验研究

主要研究了2．5D高硅／粉醛、短纤维模压高硅／酚醛、斜缠高硅／酚醛、三向碳／碳等四种材料的驻点烧蚀侵蚀性能。结果表明在燃气流中粒子含量、速度、粒子种类对材料驻点烧蚀侵蚀有非常大的影响，在烧蚀侵蚀过程中，粒子的侵蚀起主要作用。     

基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性

为了研究火箭发动机(SRM)斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。     

双脉冲固体火箭发动机二次点火内视研究

利用Ｘ射线高速帝时荧屏分析（ＲＴＲ）技术对双脉冲固体火箭发动机的二次点过程进行了内研究,通过对ＲＴＲ图像的分析,弄清了隔板的打开模式以及塞子在一级燃烧室听运动规律,运用图像处理技术还获得了塞子飞出隔板后的平均速度及塞子与喷管碰撞后的反速度,这些结果为这种新型发动机的设计提供了实验依据。     

双脉冲固体火箭发动机二次点火内视研究

利用Ｘ射线高速实时荧屏分析（ＲＴＲ）技术对双脉冲固体火箭发动机的二次点火过程进行了内视研究。通过对ＲＴＲ图像的分析,弄清了隔板的打开模式以及塞子在一级燃烧室中的运动规律,运用图像处理技术还获得了塞子飞出隔板后的平均速度及塞子与喷管碰撞后的反弹速度,这些结果为这种新型发动机的设计提供了实验依据。     

固体火箭发动机后效推力对导弹底阻影响的数值仿真

采用二维轴对称N-S方程与湍流模型相结合，建立了固体火箭发动机喷管尾流和弹体外流一体化仿真模型.针对给定的导弹模型，开展了不同发动机燃气流量下的流场仿真，得到了流场速度和压力分布，分析了不同燃气流量下发动机后效推力对导弹底阻的影响.结果表明:与发动机不工作时相比，加入较小的燃气流量后，导弹底部压力增大，底阻值减小.随着燃气流量的增加，底部压力先减小后增大，底阻先增大后减小.随着燃气流量的增加，后效推力与导弹底阻的合力不断增大，且动推力所占比重逐渐增加.      

固体火箭发动机中声场对凝聚相粒子的影响

固体火箭发动机中凝相粒子的空间非均匀分布不但会改变粒子的阻尼效果,还可能对金属粒子的分布式燃烧产生影响,从而显著改变发动机内的增益和阻尼。粒子的空间分布受发动机内部固有的声场压强振荡的影响,进而影响粒子对声振荡的阻尼效果。本文将连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型应用于固体火箭发动机中多物理场作用下的粒子行为研究,实现了声场对粒子行为的影响研究,获得了发动机两相流流动与声场的耦合作用规律。结果表明：CFD-DEM模型可以获得其他模型无法得到的颗粒微观信息包括颗粒与颗粒间的碰撞、颗粒与壁面的碰撞以及颗粒与气相间的相互作用等。另一方面径向声场力会使得凝聚相粒子往发动机燃烧室的中心区域汇聚,并且形成稳定宽度的粒子质量分数高达90%以上的聚焦带,而在壁面区域基本为粒子真空区域,粒子的空间不均匀分布极其显著。轴向声场力（发动机一阶基频声波）作用下颗粒分布在声场波节节点后可以观察到较高浓度粒子区减少,颗粒分布不似无声场作用那样密集,且颗粒相沿轴向的速度分布呈现先增大后减小的变化规律,在节点附近达到峰值。     

Numerical study of intrachamber processes dynamics at nozzleless solid propellant rocket engine actuation

The results of the comprehensive numerical analysis for dynamics of intrachamber processes that appear at nozzleless solid propellant rocket engine (SPRE) actuation are presented. A complete cycle of rocket engine operation is analyzed. We solve a conjugate problem involving the igniter actuation; heating, ignition and following combustion of a solid propellant charge; a combustion product flow in the combustion chamber; depressurization of the combustion chamber, and the subsequent motion of the rocket engine blank; variation of the combustion surface geometry at the expense of the gradual and nonuniform burnout of solid propellant web.