基于流-固耦合的混合火箭发动机固体燃料表面退移速率计算

基于流-固耦合的方法,在充分考虑混合火箭发动机工作过程中诸多复杂物理过程的基础上,建立了一个可适用于不同工作状况下混合火箭发动机固体燃料表面退移速率预示的计算模型。计算结果与实验数据的对比验证了所建立计算模型的准确性。对模型发动机进行模拟的结果表明,混合火箭发动机中的燃烧、流动及固体燃料表面的退移速率具有明显的不均匀性,发动机中的固体燃料表面的退移速率沿轴向近似地呈“W”形状的曲线变化;在混合发动机中,突扩形状的预燃室和补燃室有利于燃料热解气体和氧化剂气体的扩散混合,可以强化对固体燃料表面的换热,提高固体燃为表面的退移速率。     

硝酸与固体燃料燃烧性能计算研究

建立了固液火箭发动机燃烧性能计算模型,采用一维化学平衡(ODE)方法对以硝酸为氧化剂的固液火箭发动机燃烧性能进行了初步探讨。计算表明,固液火箭发动机的比冲、特征速度和燃烧温度以及燃烧产物组分等与氧化剂和燃料的配比有密切关系,氧化剂与燃料质量配比在3.75附近时,固液火箭发动机内部的温度较高,燃烧产物组分以及特征速度达到最佳状态,比冲最高。     

用双流体模型模拟湍流两相流场

首先针对颗粒浓度在两相流动中的重要性，建立了颗粒体积浓度方程，阐述了颗粒浓度在求解过程中的特点及颗粒体积浓度方程在计算方法中的贯穿。其次计算了沙层上的稀相可压气固两相流、直管内的不同压液固两相流及叶片扩压器中的密相可压力固两相流的流动，发现了颗粒浓度两种截然不同的分布，并验证了用不可压或稀相的模型来计算可压或密相的模型会带来误差，说明了在计算可压密相两相流动时，可压及密相的因素必须考虑到。     

一种旋流式喷嘴的实验和数值研究

对一种小尺寸复杂结构的旋流式喷嘴进行了实验和数值研究，实验研究中确定了喷嘴前后压差与流量间的对应关系，数值研究中应用VOF方法对喷嘴内三维气液两相流动进行了计算，并与实验结果做了比较，二者吻合较好，而后应用该算法对喷嘴在不同结构尺寸下的流动过程进行了计算，对比分析后发现，旋流室及旋流器的结构和尺寸均会对喷嘴出口速度产生影响，但只有旋流器螺旋升角和槽道数目才会对喷嘴雾化角产生显著影响。     

潜入喷管背壁区熔渣溢流沉积实验研究

利用X射线诊断系统，观察了固体火箭发动机热试车条件下潜入喷管壁区熔渣粒子的溢流过程。得到了实验条件下的潜入喷管背壁区熔渣生成沉积数据和图像，分析探讨了喷管潜入深度、喷管部面积对背壁熔渣生成和溢流过程的影响，为发动机的设计提供了实验依据。     

带装药裂纹发动机内流场数值研究

在N－S方程基础上，考虑网格移动，建立了适用于固体火箭发动机内流场的湍流控制方程组，并对带装药裂纹的固体的火箭发动机内流场进行了数值模拟，分析了推进剂中裂纹深度，宽度、位置、角度等多种因素对发动机内流场的影响，计算结果表明：（1）裂纹出口处流速高，大于主通道流速，在裂纹出口附近存在回流区；（2）当裂纹紧靠发动机前封头时，裂纹出口附近回流强度减弱，裂纹对发动机内的流动影响较小；（3）当裂纹深度与裂纹宽度比大于240时，裂纹内压强急剧升高，对发动机装药结构完整性具有重要影响。     

喷嘴雾化特性模糊评判模型

利用模糊综合评判法构造喷嘴雾化模糊关系矩阵，建立了描述喷嘴雾化特性的模糊数学模型，利用该模型分别对不同工况下的空气雾化喷嘴，离心式喷嘴雾化特征进行了理论计算，通过聚类，对5种实验工况进行了分类，计算的分类情况与实验结果基本一致，对空气雾化喷嘴，离心式喷嘴不同实验工况的雾化效果进行了正确的评判。     

叶片扩压器内两相流场的数值模拟

湍流模型采用 kk-εk-θp 模型 ,为改善计算的稳定性和收敛性 ,根据 Rhie,Chow提出的动量插值概念 ,以协变物理速度分量作为求解变量 ,在压力修正方程中考虑了密度及浓度修正的影响 ,完成了叶片扩压器内部的两相流场的数值计算 ,计算结果与实际情况较为吻合 ,表明了所建立的计算方法的可行性。结果表明 :叶片扩压器吸力面上的颗粒拟温度高于压力面上的颗拟温度 ,而且靠近壁面处的大于叶道中的 ,可采用颗粒拟温度来标志磨损部分。这为改进扩压器的设计和性能提供了依据     

固液发动机固体燃料瞬态退移速率

为了研究固液混合火箭发动机中固体燃料退移速率在发动机工作过程中的变化特性,基于固液混合火箭发动机的工作特点,利用燃烧流动与固体区域传热耦合计算以及动网格技术,建立了固液混合火箭发动机固体燃料瞬态退移速率预示的数值模型,并对某带预燃室、补燃室以及扰流环结构的模型发动机进行了研究。计算结果表明,固体燃料热解表面的温度以及退移速率随着发动机的工作逐渐降低;在同一时刻沿发动机轴线燃料热解表面上各点的退移速率以及温度不同;扰流环可以提高它后面局部区域固体燃料的退移速率以及表面温度。     

铝基粉末燃料层流火焰传播速度实验研究

为研究铝基粉末燃料火焰传播特性,本文设计了气固两相本生灯型层流火焰实验装置,开展了铝基粉末燃料层流火焰传播速度的实验研究;获得了气流流速、颗粒相浓度等因素对空气中铝颗粒层流火焰传播的影响规律,并研究不同级配比例下的铝基粉末燃料的火焰传播性能。研究结果表明：在相同颗粒浓度条件下,提高气流速度会显著增加铝基粉末燃料层流火焰传播速度;在相同气流速度条件下,铝基粉末燃料层流火焰传播速度在铝颗粒浓度接近600 g/m³时达到最大值,而当铝颗粒浓度过低时,层流火焰无法稳定传播;此外试验结果还表明,利用中小粒径颗粒填充大颗粒间的孔隙,能显著提高铝基粉末燃料层流火焰传播性能。