隔层式多脉冲发动机点火延迟数值仿真研究

隔层式多脉冲发动机点火过程较常规发动机有很多不同,为获得端燃型隔层式多脉冲发动机的点火延迟特性及其影响因素,建立物理和数学模型,采用MpCCI耦合器作为FLUENT与ANSYS的数据交换平台,模拟点火燃气填充隔层和隔层变形过程;采用FLUENT计算多脉冲发动机火焰传播过程及填充过程。计算结果表明,与传统固体火箭发动机相比,在相同点火药量的情况下,多脉冲发动机的点火延迟大大增加;推进剂燃速越高,点火延迟越小;燃烧室自由容积越大,点火延迟越大;隔层材料对点火延迟影响较小。可以通过适当加大点火药量和提高燃速来减小点火延迟。     

脉冲发动机中隔层传热炭化模型

为分析脉冲发动机中隔层的绝热效果及温度变化情况,推导了隔层两种炭化模型的计算公式,对比实际发动机试车结果,模型一误差为20%,模型二误差为6.7%,炭化模型二具有较好的精度;数值模拟了隔层的热传导过程,将是否考虑炭化影响的隔层传热深度及温度分布与理论计算结果进行对比,未考虑炭化影响计算结果的误差在14.3%以上,考虑炭化影响计算结果的误差均小于10%。研究结果表明,预估隔层炭化深度时,应该运用炭化模型二;计算隔层的温度场分布时,必须考虑炭化影响。     

双脉冲发动机快速建压过程中轴向隔层变形

为获得轴向隔层式双脉冲发动机在Ⅰ脉冲燃烧室点火建压过程中Ⅱ脉冲药柱和隔层的变形情况,建立了隔层和药柱的二维轴对称有限元模型,进行了有限元计算及外推分析。计算结果表明,对Ⅱ脉冲药柱长度较长的端面燃烧药型的双脉冲发动机,轴向隔层在I脉冲燃烧室快速建压过程中的变形较大。设计并进行了I脉冲燃烧室快速充压试验。试验结果表明,在I脉冲燃烧室快速充压过程中,轴向隔层变形较大,变形量与有限元计算结果以及外推结果吻合较好。     

隔层式双脉冲发动机尾部点火过程流固耦合特性研究

为研究隔层式双脉冲发动机Ⅰ脉冲尾部点火过程对隔层和Ⅱ脉冲药柱结构完整性的影响，以雷诺时均Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和固体推进剂热传导方程为基础，基于耦合传热方法建立推进剂点火与燃烧加质模型，同时结合流固耦合方法，详细分析了点火过程中燃气的非定常流动特性以及燃气冲击作用下隔层和Ⅱ脉冲药柱结构的力学特性。计算结果表明，尾部点火药气体喷射入药柱后端内孔和翼槽内形成回流区，导致翼槽侧表面首先点燃，同时迅速产生了二次着火点，加快了火焰传播过程，提高了升压速率；点火过程中燃烧室内初始低温气体被挤压至燃烧室头部，并与高温燃气持续相互作用，引起燃烧室头部压力剧烈振荡；点火冲击过程中，隔层表面压力差距较大，隔层外表面上等效应力最大值为3.7MPa，最大总变形量达10.1mm。     

双脉冲发动机EDPM软隔层含率相关能量限制器的黏超弹本构模型

在软隔层式双脉冲发动机中的设计过程中,软隔层的变形及破坏是一个很重要的问题。传统的表征橡胶类材料的超弹本构模型不能准确描述软隔层在工作过程中的变形及失效行为。为此,在Volokh等提出的含能量限制器的黏超弹本构模型的基础上,引入含率相关项的能量限制器,使其能够描述EPDM软隔层在单轴拉伸时的断裂伸长率的率相关性。为获取模型参数,进行了单轴拉伸试验,并采用最小二乘法拟合出模型参数。最后,利用所建的本构模型与试验结果进行了比较,比较结果表明模型能较好地预测EPDM在单轴拉伸时的失效行为。     

脉冲发动机软隔离装置反向打开过程研究

通过显示动力学的方法,对一种软隔离装置反向打开过程进行了模拟,并通过燃气发生器-隔层试验装置,进一步验证了隔层的打开过程,模拟结果与试验结果吻合得较好,验证了计算方法的合理性。研究结果表明,脆性断裂准则可较准确地预测隔层的破坏位置和压强,同时在内压冲击载荷作用下隔层薄弱区域首先出现破裂,破裂后下隔层结构逐渐反向打开,最终端口发生严重破坏,研究结果可用于发动机隔层的初步设计。     

脉冲发动机中隔层工作过程的数值分析及试验

为了实现固体火箭发动机的脉冲启动功能,设计了一种软质隔层结构(PSD),数值模拟了隔层的承压及打开过程,得到其应力应变场分布。当隔层承受来自I脉冲10MPa内压作用时,隔层及药柱的最大主应力及应变都在安全范围内,从而证明了该结构承压可靠性;利用扩展有限元XFEM技术模拟了隔层的破坏过程,隔层在II脉冲1.3MPa内压下打开,且打开形式可靠。设计了承压和打开单项试验,验证了数值模拟的准确性,并说明该结构承压、打开及密封性能均满足设计要求,隔层结构可以应用于实际的脉冲发动机之中。