基于CFD-DEM算法的固体火箭发动机气-固两相流模拟

针对固体火箭发动机中含金属推进体系中颗粒冲刷烧蚀及推力两相流损失的难题,基于连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型,考虑颗粒间的碰撞力与非碰撞力以及颗粒-气流作用力等,对固体发动机中气-固两相流进行了数值模拟研究。研究结果表明,相比于传统的双流体模型及轨道法,CFD-DEM能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹、颗粒间的碰撞、颗粒受力情况等等;以及粒子相与气相相互作用过程,粒子相与壁面相互作用等。粒子的碰撞在喷管收敛段壁面、喉部区域以及喷管扩张段中心区域发生,与壁面的碰撞在收敛段壁面位置,且颗粒在该区域角速度较大,气相-颗粒曳力最大值出现在气相加速区域。单个粒子尺度的流场数据为固体发动机气固两相流流场的认识提供了更加丰富的信息,并为粒子聚集聚合及对烧蚀层冲刷等提供研究基础。     

固体推进剂燃烧过程铝团聚研究进展

综述了固体推进剂燃烧过程铝的团聚和凝相燃烧产物研究进展,对现有研究中存在的局限性进行了讨论,并分析了未来的研究趋势。建议未来在以下几个方向开展系统深入的研究,包括高压下固体推进剂燃烧过程铝团聚微观动力学机理,推进剂配方对团聚影响系统性实验研究,团聚模型,铝团聚抑制方法等。非常规铝粉的使用、对铝表面进行包覆等新型的团聚抑制方法应当予以重点关注。     

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。     

大过载对固体火箭发动机粒子阻尼的影响

针对大过载条件下（30 g）固体火箭发动机粒子阻尼预估问题，采用离散元法（DEM）对大过载下固体火箭发动机内的粒子阻尼开展了数值模拟研究工作。通过考虑粒子空间分布的粒子阻尼预估方法来计算不均匀分布下的粒子阻尼，进而分析获得了过载下燃烧室内不同直径粒子的空间分布及阻尼特性。研究结果表明：30 g的大过载会显著影响燃烧室内粒子的空间分布及粒子阻尼特性，且不同大小的粒子受影响程度显著不同。横向过载下，燃烧室内粒径大于30μm的粒子在极短的时间内即会在局部区域形成聚集带和真空带。采用与空间分布相关粒子阻尼预估方表征粒子阻尼，发现非均匀分布下粒子的阻尼值比均匀分布时小；在横向大过载下，粒子阻尼的减小（可达30%）发生在极短时间（5 ms）内，且粒径越大的粒子其阻尼减小得越早、越快，这对发动机燃烧的稳定性是十分不利的。