固体发动机点火燃气流动与药柱变形耦合过程数值模拟(英文)

采用MpCC I耦合器作为FLUENT和ANSYS的数据交换平台,对带径向翼槽大长径比固体发动机点火过程中的流固耦合现象进行了数值模拟。结果表明,该型发动机点火瞬间燃气流动与药柱变形强烈耦合,药柱变形主要发生在径向翼槽台阶的尖点处,且随点火过程的推进变形加剧;中间翼槽尖点处药柱的变形量比头部翼槽处大,是造成发动机点火故障的主要原因。计算获得了点火压力冲击下药柱的位移及应力场的分布规律,文中的研究结果可为流固耦合技术在固体发动机上的应用奠定一定的基础。     

一种自由装填式组合药柱的低温三维结构完整性分析

为分析自由装填式复杂组合药柱在低温多次出现点火爆炸的原因,采用基于Updated Lagrangian方法的三维热粘弹性大变形增量本构关系,对组合药柱的结构完整性进行了计算。为分析瞬态温度场以及热应力应变分布,采用基于时温等效原理和热流变简单材料假设的有限元模型,得到了危险点位置,并比较了在不同贮存温度下组合药柱的结构完整性。结果表明,药柱结构的不合理性是导致低温贮存条件下组合药柱发生结构完整性破坏的主要原因。     

非均布瞬态内压作用下星孔药柱应力分析

固体发动机大长径比药柱点火过程中内孔表面受到燃气压力作用,内压载荷迅速上升,并沿轴向分布很不均匀,为典型的瞬态非均布载荷。文中建立了内压载荷关于时间变化和位移分布的数学模型及瞬态非均布内压载荷下药柱结构应力的分析方法,并建立了三维贴壁浇注星型内孔药柱模型,用有限元法计算出非均布压力下的药柱应力-应变分布及变化过程。计算结果表明,载荷的非均布特性及瞬态特性对药柱应力-应变过程影响很大。升压梯度越大,对药柱结构完整性破坏越大。     

高加速度冲击下固体推进剂药柱轴向形变的数值模拟

研究了截面形状、长径比及模量对固体推进剂药柱受到高加速度冲击时发生形变的影响。数值模拟表明，当药柱为厚壁柱壳、星形及圆柱形时，药柱截面形状对发生小变形药柱的应变影响不显著，三种形状药柱的轴向形变、应力、应变值差别不大。而轴向形变与长径比成正比关系，并与模量成反比关系。     

自由装填式固体火箭发动机药柱低温点火结构完整性分析

利用三维有限元方法,通过热-机耦合,分析一种自由装填式固体火箭发动机药柱从药柱固化降温到低温点火整个过程中发动机的温度场、总位移、等效应力和等效应变的变化情况,得到了固化降温和点火升压过程中药柱/壳体有无粘接两种情况下发动机的受力情况的不同,并根据最大应变能理论,分析了两种情况发动机药柱的结构完整性;得出了在温度和压强双重载荷下,模量、泊松比、药柱/壳体粘接高度等参数对发动机药柱结构完整性的影响规律,表明该型发动机药柱/壳体粘接高度不宜超过40 mm。     

固体火箭发动机的新型药柱

固体火箭发动机的药型设计,随着固体导弹技术的发展,多年来又有了新的发展。为了使人们能够更好地了解和掌握这一动态,我们希望通过综述有关资料,再结合我们的实践,把一种称之为锥柱槽型的药柱做一次较全面的分析讨论。整个分析讨论包括:新型药柱的结构、名称及燃面计算,分析药柱性能的主要依据,药柱性能的分析讨论和结论等部分。通过分析讨论得出了各部分的燃面计算公式、最佳长径比以及最佳长径比内的增面比、装填系数和药柱强度等变化规律。     

变截面星孔药柱在温度冲击载荷作用下的力学特性

基于热传导方程,时装有变截面星孔药柱的火箭发动机物理模型进行了合理简化,并根据推进剂材料的粘弹性本构关系,结合热流变简单材料的特性,对其受温度冲击栽荷的情况进行了数值计算,得到温度冲击载荷作用下药柱的实时温度场及应力.应变特性,分析了星尖处的应力随时间的变化及在药柱长度方向上的变化规律,得到药柱肉厚及温度冲击都会对应力...     

机载发动机药柱在温度循环载荷下的力学响应分析

针对机载导弹固体火箭发动机在地面常温贮存和高空低温下挂飞的实际情况,利用ABAQUS有限元软件计算分析了HTPB推进剂药柱在飞机多次起降过程中形成的温度循环载荷下受到的热应变分布,研究了循环次数和挂飞时间对药柱温度场和应变场分布的影响规律,重点分析了药柱内几个特征点的温度和应变随循环次数、挂飞时长的变化,基于以上分析对药柱结构完整性进行了失效评估。结果表明,在挂飞阶段结束时刻,最低温度位于燃烧室外表面,最大应变始终位于药柱内孔;在一定循环次数内,药柱所受热应变随次数的增加有所增大,而挂飞时长的增加会使药柱受到的热应变明显增大,对装药结构影响更加显著。仿真结果对后期进行推进剂试验研究和发动机挂飞工况下的安全设计都具有实际参考意义。     

药柱结构缩比发动机设计与验证

为了预示固体火箭发动机寿命周期典型环境载荷作用下的药柱力学性能,基于Thepenier等人提出的缩比发动机设计准则,研制出了一种可预示全尺寸药柱力学性能的缩比发动机.通过有限元分析,对该缩比发动机的有效性进行了评估;采用数字散斑技术,测试了缩比发动机温度试验药柱的应变特征和变化规律.结果显示,缩比发动机的结果与全尺寸药...     

药柱变形对发动机内弹道影响研究

通过翼柱药型结构特征简化,研究了药柱在固化降温和工作内压工况下结构变形规律。以药柱内外径和翼倾角作为变形特征参数,对药柱实体模型进行修正,实现药柱变形状态的燃面退移仿真计算,并分析了内弹道的变化。研究结果表明,药柱使用工况内径扩大、翼倾角减小,从而造成肉厚减薄、初始燃面增大,压强曲线会出现前高后低的现象。该文采用的基于药柱变形的内弹道算法,计算结果与试验曲线基本吻合,计算精度高,可供药柱设计参考。     

平底翼柱型药柱燃烧规律的研究

对平底翼柱型药柱进行了研究,推导了平底翼柱型药柱燃烧面积公式,运用MATLAB编程计算,得到了药柱燃烧面积变化率与设计参数的关系图,分析总结了平底翼柱型药柱的燃烧规律。计算结果表明,翼槽数为8,长径比为1.7时,更接近恒面燃烧;当翼槽倾角α∈(0,5π/48),β∈(0,π/3)时,药柱燃烧过程呈现先增面后减面的特性;以药柱外径为基准,当设计参数翼顶缘相对半径r∈(0.36,0.71),翼槽相对深度H∈(0.17,0.375),开槽相对厚度T∈(0,0.036),药柱呈现先增面后减面燃烧;当设计参数r、H、T在给定范围外时,药柱燃烧呈单增面性或者单减面性。算例证明,燃烧面积计算公式正确,燃烧规律符合实际。     

中心孔药柱中燃速的径向变化

大西洋研究公司提出了一种分析固体发动机药柱燃烧状况的计算机程序化方法,本法可直接计算局部燃速对已燃药厚的平均燃速的比。包括使用标准批检验发动机的某些特殊试验在内,对几种不同构形的中心孔药柱燃速比的药厚变化效应(“虹效应”)及数值进行了评估。分析表明这种燃速比的药厚效应是由制造方法引起的.实际上与尺寸、长径比、控制温度、燃速和药厚等发动机参数无关。提出了一种假说,认为此种药厚效应的起因与推进剂富粘合剂层的条痕结构有关,而条痕的形状又与制造方法及药柱构形有关。迄今积累的数据表明,对圆孔药柱而言,事先固定芯子的装药比先浇注后插入芯子的装药燃速约高3—4%。药柱上的各种槽沟往往限制了各点虹效应的精度确定,尽管在全部的构形中均可看到总的虹效应,且最大与最小值的差一般均在3—6%范围内变动。本文给出了各种发动机的燃速比数据,其推进剂重量从10磅左右至2000磅,长径比1:1至8:1,药厚从小于1英寸到大于7英寸,药形有槽管状、锥柱状、一端和两端的圆柱状。     

翼柱型药柱固体火箭发动机不稳定燃烧研究

列举了3种高装填、大长径比、翼柱型药柱、复合推进剂固体火箭发动机不稳定燃烧的现象,对其不稳定燃烧现象进行了频谱分析,将3种不稳定燃烧定位为中频、纵向声不稳定。分析认为,不稳定燃烧取决于发动机的设计固有频率及发动机燃烧室内部声能的各种增益和衰减之间的消长关系。抑制不稳定燃烧的有效途径是改变声腔的固有频率和减少声能增益、增大声能损耗。通过采取修改药柱结构以改变燃烧室声腔的固有频率和增大喷管阻尼的措施,使发生的不稳定现象得到了很好的抑制,可为同类发动机研制提供借鉴。     

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

固体发动机低温点火条件下药柱结构完整性分析

分别采用三维弹性和三维线粘弹性模型,对固体发动机药柱在低温和点火升压2种载荷下的结构完整性进行了计算分析。研究了推进剂弹性模量E、泊松比μ、药柱m数等参数对结构完整性的影响。结果表明,在发动机低温点火条件下,药柱内孔表面是最危险部位;固化降温和点火升压2种载荷引起的最大等效应变在此是相互叠加的;药柱m数对固化降温和点火升压载荷下的应变分布有重要影响。     

战术固体火箭发动机药温测量研究

介绍了一种战术固体火箭发动机药温测量技术，测量系统主要由一个温度传感器和一个与嵌入式计算机相连的特殊的测量单元组成，该系统随某型号发动机进行了温度循环试验和温度冲击试验，同时用ANSYS软件对试验过程进行了模拟计算，试验测量结果与计算结果符合很好，还邮药柱等效温度概念和计算方法，并给出了通过发动机外壁温度和药柱内壁温度计算等效温度的拟合公式，发动机最后进行了地面试验，获得圆满成功，证明该测量系统是可靠的，具有实用价值。     

变温环境下固体药柱的温度应力分析

为研究外界环境对固体火箭发动机性能的影响,基于推进剂药柱的热粘弹性模型,利用有限元方法对变温环境下的药柱温度应力进行了分析,研究了外界环境不同起始温度、不同升（降）温速率对药柱温度应力的影响,确定了某星型药柱内部的应力危险点。结果表明,外界环境升温导致发动机药柱内部应力下降,初期应力下降缓慢,后期应力下降较快;降温过程导致应力增加,初期增加缓慢,后期增加较快;起始温度、升（降）温速率对药柱危险点温度应力都有较大的影响,但后者的影响更为显著。不管外界环境是持续升温还是持续降温,都应该注意固体火箭发动机在贮存和使用中的“环境保护”。     

大长径比固体火箭发动机工作过程中压力响应的数值研究

为了研究大长径比固体火箭发动机工作过程中压力响应规律,以两个型面下的准稳态计算作铺垫,采用自主开发的算法对大长径比两端包覆装药发动机在燃面推移过程中的瞬态内流场展开了数值模拟,并将瞬态计算结果与准稳态结果进行了对比。结果表明,注入流体温度会对压力响应频率产生较大影响;瞬态计算不会改变监测点压力频谱分析曲线的变化趋势,但是会令压力峰值及其对应的响应频率产生数值上的差异,并且响应频率的改变是非线性的;在发动机整个工作过程模拟中,其压力响应幅值较单个型面下准稳态计算结果要低很多。     

N_2O/HTPB固液发动机燃烧室结构对药柱燃面退移特性的数值模拟

针对采用N_2O/HTPB推进剂的某固液火箭发动机,分析研究燃烧室长径比、前燃室长度、补燃室长度以及喉径等结构参数对固体燃料热解表面燃面退移速率的影响。通过建立一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的数值计算方法,并经算例验证后,说明此数值模拟方法的合理性和正确性。因此,应用此数值模拟方法分别计算了燃烧室各结构参数对固体燃料热解表面退移速率的影响:药柱长径比对燃面退移速率影响较大,随着药柱内径的不断增大,退移速率逐渐减小;随着前燃室长度的增大,燃面退移速率也相应增加,但幅度较小;而补燃室长度以及喉径对退移速率基本无影响。适当增加补燃室长度,可增强氧化剂与燃料热解气体的掺混效果,从而提高燃烧效率。     

大长径比SRM头部复杂结构三维纯气相火焰传播过程

以N-S方程,RNGk-ε湍流模型、P1辐射模型为基础,以美国"大力神-Ⅳ"运载火箭助推发动机PQM-1为算例,采用流固耦合传热的火焰传播边界条件,建立了大长径比SRM头部复杂结构的三维纯气相火焰传播模型,分析了发动机点火瞬态头部径向和轴向翼槽内的火焰传播过程。结果表明,对于采用单喷管点火发动机点火的大长径比SRM,头部翼槽的初始发火点在轴向翼槽末端,且头部轴向翼槽内的冷空气影响径向翼槽内的火焰传播,而轴向翼槽内的火焰传播过程对药柱锥形通道内的火焰传播影响不大。