固体火箭发动机喷管喉部沉积过程的传热分析

推进剂含金属填加剂的固体火箭发动机在工作过程中有时会发生喷管喉部沉积现象,可能对发动机性能带来严重的影响。本文根据有关实验现象,建立了喉部沉积过程的传热模型。假设喷管喉部结构由沉积层、耐熔喉衬、绝热衬套及外壳等导热性能不同的材料组成的,其中沉积层的厚度是随时间变化的,是多层壁变边界的不稳定传热问题。根据喉部沉积的传热模型建立了偏微分方程组,采用有限差分完全隐式格式用电算机进行数值分析计算。计算分析结果给出了喉部截面温度场及其变化规律,并从理论上预示有关因素对喉部沉积的影响,与实验规律一致。     

三氧化二铝沉积层厚度随时间变化的传热理论解

本文根据传热理论建立了固体火箭发动机喷管三氧化二铝沉积规律的数学模型,并求得了喷管壁内和沉积层内的温度分布。又根据沉积层厚度的定义确定了沉积层厚度随时间变化的解析解。数值计算结果与实验的比较表明,理论计算得到的基本规律和实验相符。     

喷管喉部沉积现象原因分析及解决途径

在小型固体火箭发动机预研中遇到了严重的喷管喉部沉积问题。本文介绍了在此预研中出现的严重的喉部沉积现象,并简要分析了产生沉积的条件与原因。同时,论述了主要从喷管喉衬材料、结构设计和加工工艺等方面所采取的解决喉部沉积的具体措施。     

喷管喉部沉积层温度场与沉积速率分析

以传热学的观点,喷管喉部发生沉积时的传热分析属于移动边界不稳定导热问题.本文建立了传热分析模型与传热微分方程.通过动座标变换,求得了微分方程的近似解析解,即温度场随时间变化的规律.由此进一步分析了金属氧化物沉积速率随时间变化的规律.     

含铝固体推进剂火箭发动机喷管沉积的实验与传热分析

本文根据含铝固体推进剂火箭发动机喷管沉积现象的实验结果,分析了喷管沉积过程和沉积速率,并提出了一种简化的沉积传热模型——两区域有限平壁、移动的相变边界,变壁温对流换热边界条件的一维瞬态导热。应用热平衡积分法进行求解,获得了沉积情况下喉衬和沉积层内的温度分布函数,并给出了沉积速率为常数和变数两种条件下的计算实例。本文为分析沉积机理提供了一些理论基础。     

Laval型微喷管内气体流动的计算及分析

基于连续介质模型模拟研究了喉部宽度为37μm的二维Laval型微喷管内气体流动特性.计算分析了落压比变化对流场结构的影响;研究了前人文献中提到的"超声速环"现象,发现其本质就是过膨胀状态下微喷管内形成的"马赫盘",并利用激波理论分析讨论了在微尺度下该现象的形成机理及产生条件;在出口压力不变的情况下,采用落压比界定出"超声速环"可能存在的范围;讨论了落压比与激波对微喷管总压降的影响.      

导弹水下发射时喷管的气体流动

针对导弹水下发射时喷管的气体流动问题，建立了水下喷管流的简化模型，定性地研究水环境的惯性对水下喷管内气体流动造成的阻滞作用。计算显示受阻滞流量△Q及受阻滞时间△t和喷管的喉部面积At呈幂函数关系，固定其他参数仅改变水深，△Q及△t和进口处气体的滞止压力p0与当地水下静压之间的压力差也有幂函数关系。结果表明喷管所处的水下深度越大，喷管内气体流动受阻滞状况也就越严重，而减小喉部面积At和适当增加膨胀比Ab/At以及增加滞止压力po，均有助于改善水环境对喷管喷出气体造成的阻滞状况。     

喉部形状设计对微喷管内流动及性能的影响

采用连续介质方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法数值模拟研究了喉部宽度为34μm的二维Laval型微喷管内流场的流动状况.设计了三种不同喉部形状的微喷管:尖角型、圆角型和平角型.计算分析了喉部形状、扩张比等方面对流场结构及推进性能的影响.研究发现,圆角型微喷管的综合性能最优,平角型微喷管具有较大的比冲效率;适当增大扩张比能提高微喷管的性能.      

高超声速喷管非平衡尺度效应的数值分析

采用轴对称热化学非平衡全N—S方程，数值分析了高超声速喷管流场中非平衡引起的尺度效应。并给出计算条件下喷管轴线上的物理量和化学组元分布。计算结果表明，在喉部下游不远处流动趋近于化学冻结和热力冻结状态。流场(特别是核心无粘流区)的特性不仅取决于流动尺度的相对值，也取决于其绝对值。     

注水喷管特性分析

在喷管喉部后方注水，使喷喉临界状态在一定范围内不随出口环境的压力而变化，并对其流动特性进行了分析。在一维定常流动假设的基础上，采用控制容积法建模，在一定参数范围内选代计算喷管背压、喷水量与喷管几何参数之间的数值关系，并对计算结果进行分析和讨论。     

座舱供气喷管计算

利用理论计算方法,对喷管在不同压力下的流量进行计算,得到喷管的流量—阻力特性曲线,并与试验曲线进行对比,验证了理论计算的准确性。该方法可以用来进行环控系统座舱供气喷管设计。     

真空羽流场的DSMC并行数值模拟

对DSMC方法进行小喷管真空羽流数值模拟的计算软件进行了并行化改造。计算表明在多处理器(节点)上实现并行计算能够大幅度地提高运算速度,缩短运行时间,增加计算规模,计算结果与串行计算一致。并对目前串行计算不能完成的真空羽流计算的算例成功地进行了DSMC并行计算,计算结果与理论分析一致。      

高反压下喷嘴雾化特性的理论探讨

 本文对高反压下正压力指数的喷嘴雾化特性的可能原因进行探讨。试验技术上采用高压封闭容器,引起小液滴回流会造成液雾测量上畸变。从机理上,本文提出两个因素:对空气雾化喷嘴,由强紊流脉动与液滴簇的相互作用可能引起不同尺寸液滴碰撞而凝聚;对压力雾化喷嘴,可能由于高反压下液体微团速度迅速衰减而使决定最终雾化生成的气动作用力比低反压时为小的情况出现,本文详细分析了后者情况,证明通常文献及书中普遍叙述“高反压下促进雾化的气动作用力增大”的论点,并不完全正确。     

固体火箭发动机喷管喉衬动边界条件下的温度场计算

本文探讨了固体火箭发动机喷管喉村在烧蚀退移、燃气中固体微粒的沉积以及沉积物吹除所引起的动边界条件下的温度场数值计算模型。模型的建立以有限体积能量平衡的基本原理为依据,采用有限差分的数值计算方法及稳定性较好的交替方向隐式格式求解。为确保数值计算结果在边界退移及网格脱落时的稳定性,采用了插值与迭代相结合的方法,以全隐式格式求解表层网格节点和受热壁面的温度。模型还考虑了多层背村材料结构、变物性材料特性等诸种因素,使之具有一定的普遍性,并可应用于工程设计和研究中。数次发动机实验证明,本文提出的温度场计算模型能够较真实地反映喉衬温度响应,具有较为满意的计算精度。     

固体火箭发动机喷管壁窜火故障的试验研究

针对某大型固体火箭发动机在试车中后期出现的喷管后侧持续冒小火和试车后期出现的喷管扩散段前部窜火故障，进行了模拟试验。结果表明：如果在喷管扩散段的中、后部壁上有侧孔（此孔无论是烧穿形成，或其他原因形成），并在侧孔处有阻挡气流的物件，使该处的气流局部滞止，即能造成喷管后部侧孔窜火。发动机喷管经常出现的扩散段前段窜火，则是由于喉面下游壁厚烧薄到一定程度，当地的静压就能使火苗窜出。     

强制偏流喷管的实验研究

介绍了整体级概念及强制偏流喷管，分析了喷管内的流场与外蜀压力变化的关系。在实验参数相同的条件下进行了与普通锥形喷管的对比实验，并测定了在发机工作过程中扩散段的压力变化，结果表明，该喷管具有良好的推力性能和自动补偿外界压力变化的能力。     

排气引射系统主喷管选型试验研究

对４种主喷管组成的排气引射系统的引射系数和总压损失、各主喷管出口与混合管进口之间的最佳间距、混合气流在混合管内的静压恢复及混合气流在混合管出口处的总压分布等进行了测量和对比。试验结果对排气引射系统主喷管选型设计有重要的参考价值。     

固体火箭发动机喷管烧穿故障的试验分析

根据某大型固体火箭发动机在地面试车喷管扩散段前部的烧穿故障的诊断，认为喷管的内型面半径对轴线的导函数在型面衔接点处不连续是导致烧穿故障的直接原因，通过对比模拟试验得到证实。又通过对原型喷管的Ｎ－Ｓ方程计算，发现在型面衔接处有漩涡存在，与最初分析的速度转折点的道理相一致，从而确诊故障。最后，提出型面设计的改进建议，即以余弦曲线代替圆弧曲面，使衔接点处导函数连接，可大大减弱冲刷烧蚀作用，从而避免烧穿。     

模拟真空羽流场的特征线法

介绍了特征线法（MOC法）对真空羽流场进行数值模拟的过程，用MOC法进行了喷管出口流动不均匀情况真空羽流场算例的求解，所得结果与理论分析相符合，与DSMC法计算结果吻合，提高了计算效率，节省了计算时间。结果表明：用MOC法可代替DSMC法对连续介质区进行模拟，并可在用N-S和DSMC耦合数值模拟中确定耦合边界。     

轴对称喷管喉道面积射流控制数值模拟研究

利用数值模拟方法,针对轴对称喷管,研究了喉道注气对喷管流动的影响。在此基础上,研究了注气流量、注气角度、喷管扩张角等对喷管流动和内特性的影响。数值模拟结果表明,喉道注气可以显著减小喷管流量,改变喷管有效喉道面积;喉道注气使喷管实际膨胀比增大,产生过膨胀损失,使推力性能降低;注气流量比较大时,喉道注气可以形成开放的回流区,使喷管实际的膨胀比减小,提高了喷管的推力性能。