嵌金属丝端燃药柱固体发动机水下点火数值模拟研究

为探讨降低固体火箭发动机水下点火初期推力峰值的方法,通过对燃气采用常微分控制方程、对嵌金属丝采用一维传热方程、对端燃药柱采用二维轴对称传热方程、对燃气泡采用球形气泡模型,就嵌金属丝端燃药柱发动机水下点火的工作过程进行了数值模拟研究。算例结果显示,发动机水下点火初期的推力峰值小于稳定工作推力,初始燃面积对推力峰值影响较大,发动机达到稳定工作推力所需时间随药柱直径的减小而迅速减小,发射深度的变化对推力达到稳定状态所需时间影响很小。     

水下固体火箭发动机尾流场计算

采用了二维定常气流场模型和轴对称理想水流场模型,对水下工作固体火箭发动机尾流场进行了耦合数值求解。考虑了高温燃气与水介质之间传热、汽化等对内部气体流动的影响,数值模拟了尾流场中压强、温度在发动机尾流场中沿轴向、径向的分布规律和特征及参数变动对喷管性能的影响,所获得的流场压强、温度分布规律可为水下工作固体发动机设计提供依据。     

水下固体火箭发动机的负推力现象研究

针对水下固体火箭发动机工作环境压强高的特点,结合固体推进剂的燃烧特性,采用UDF方法定义喷管入口边界条件,建立了固体推进剂燃气质量生成与水下超音速气体射流的耦合计算模型。将该模型的计算结果与水下固体火箭发动机的实验测量结果进行对比,验证了该模型的合理性。研究发现,水下固体火箭发动机在点火初期会出现负推力现象,负推力产生的原因是发动机点火初期,喷管内被过度压缩的燃气冲出喷管后,在喷管尾部形成一个超音速燃气泡,超音速流动使泡内压强降低;同时受到流动惯性作用的影响,气泡持续膨胀使泡内压强进一步大幅降低,发动机前后端面上的压差最终导致负推力现象产生。     

固体火箭发动机水下燃气泡计算

采用二维非定常气流场模型和VOF(Volume of Fluids)模型,对水下固体火箭发动机点火初期这一非稳态过程进行了气水耦合数值求解.模拟了燃气泡的形成、发展及断裂过程,揭示了燃气泡中压强、马赫数等参数的变化规律,得到了高速射流点火初期的流场变化特征,模拟中捕捉到了喷管出口处的压力脉动和燃气泡的"颈缩"现象,并对引起压力脉动的相关因素进行了讨论.模拟结果表明,燃气泡的发展变化过程会对喷管扩张段产生影响,这是水下高速射流的重要特征之一.上述研究可为水下发射固体火箭发动机设计提供参考.     

水下燃气射流流场数值研究

研究了固体火箭发动机水下燃气射流流场的复杂多相流问题.采用多相流MIXTURE模型,考虑了流体的可压缩性、粘性、重力作用、气水掺混效应和能量交换等各项因素.选取标准k-ε湍流模式,运用有限体积法对轴对称湍流射流流场进行数值模拟.通过对无来流情况下湍流射流模拟,发现了燃气射流的颈缩、断裂和回击现象,并通过分析解释了产生这一现象的原因.计算了有来流情况下的射流流场,发现有来流情况下燃气射流没有断裂和回击现象.     

大水深火箭发动机尾流场数值模拟

针对火箭发动机在深水环境下工作的燃气射流特性,采用VOF(Volume of Fluids)方法建立了二维轴对称两相数值计算模型,对深水长尾喷管火箭发动机点火初期的过程进行了数值模拟。模拟了长尾喷管喷管燃气射流的气泡的形成、发展及断裂过程,获得了气液两相流场中压强、马赫数、温度等参数的变化规律。计算结果表明,长尾喷管出口出现周期性的压力脉动,气液相互作用过程中形成含涡结构的边界层。水深越大时,环境压力越大,长尾喷管出口的压力、速度波动越大,射流稳定后长尾喷管轴线上的压力、速度保持不变。研究结果可为深水火箭发动机的设计提供参考。     

水下发动机点火设计试验

在固体火箭发动机技术应用到水雷动力装置研制中，为及时解决某水下发动机点火设计与试验，采取双药盒点火模式，对于点火药量的确定，结合理论计算，以及经验公式的估算后，与相类似的发动机进行比较计算，根据使用条件进行了修正，直接应用到全尺寸发动机地面试验。试验结果表明，发动机点火正常，能够保证药柱正常燃烧，发动机及时工作，工作压强与推力曲线完整、有效，点火一致性良好。目前采用的这种工程方法是可行、合理与有效的。     

水下固体火箭发动机推力脉动特征研究

对水下固体火箭发动机的动态特性进行了研究,根据动网格及VOF(Volume of Fluid)基本原理,构建了用于水下固体火箭发动机动态射流响应的轴对称模型;根据壁面积分基本原理及被动方式求解水下工作发动机推力的计算方法,成功模拟了发动机的受力运动;对不同工况下发动机工作情况进行仿真,研究了水下发动机动态模型下的射流结构,发现在来流作用下,射流气体会受到来流边界层的挤压,产生颈缩现象,之后逐渐向外膨胀;研究结果显示,在来流边界层作用下,射流所产生的激波在向下游发展之前,将经历多次折射,该研究结果与文献中相关实验结果较吻合;对发动机不同工况下的推力脉冲峰值进行分析,找出了动态模型下发动机点火初期推力脉冲峰值特征随工作环境的变化规律。最后,对有/无轴向浮力时的发动机动态特征进行了对比分析。     

模拟发动机火焰传播过程试验研究

固体发动机火焰传播过程对发动机整个点火升压过程有着潜在的影响.利用靶线法对模拟发动机在不同点火强度、不同点火燃气射流角度和不同药柱结构条件下进行火焰传播试验研究,并对火焰传播位置、火焰峰传播速度进行了分析.结果发现,燃气倾斜喷射导致的火焰峰传播速度大于燃气平行喷射下的火焰峰传播速度；翼槽型装药发动机的火焰峰传播速度大于...     

翼柱形药柱发动机点火瞬态三维数值模拟

采用流体计算软件(Fluent),通过用户自定义函数(UDF),考虑了燃烧室瞬时压强变化的影响,对某固体火箭发动机点火瞬态内流场进行了三维模拟,得出了点火瞬态头部压强一时间变化曲线.结果表明,堵盖打开前燃烧室压强振荡1次,堵盖打开后燃烧室压强振荡3次;随着点火燃气不断加入,燃烧室压强从头至尾呈现先弱后强的变化趋势.该方法能较好地预示点火瞬态的启动特性.     

过氧化氢/煤油双组元推力室催化分解点火研究

针对小推力过氧化氢/煤油推力室催化分解点火进行研究.作为过氧化氢/煤油双组元发动机的技术途径之一,还可扩展应用于催化分解点火火炬、补燃循环发动机中.推力室采用细颗粒催化剂床分解90%浓度过氧化氢(90%H2O2),分解的高温燃气使煤油雾化、蒸发和点火并且自维持燃烧.研究工作包括了催化剂床和气液喷注器的设计、单组元分解特性、双组元点火可靠性、工作效率及稳定性研究.试验中采用热容式燃烧室,催化剂床采用轮毂式分配板和多孔式床支板,并检验了不同结构的分解燃气与燃料喷射、混合情况.研究结果显示,催化分解点火可靠性高,工作稳定,燃烧效率在95%以上.     

双脉冲发动机点火过程三维数值模拟

以喷射棒式双脉冲发动机燃烧室、级间隔离装置和喷管一体化为研究对象,采用数值仿真技术对Ⅱ脉冲点火过程三维流场特性进行分析研究。计算结果表明,点火初期燃气压力波峰超前于火焰峰到达级间隔离装置,并以压强冲击波形式传播,Ⅱ脉冲燃烧室相对高压区位置不断发生改变;级间孔打开过程对药柱末端压强影响较大,但对Ⅱ脉冲燃烧室压强整体上升过程影响较小;级间孔打开后,燃气经级间孔加速后形成高度欠膨胀射流,并在Ⅰ脉冲燃烧室内形成非对称带状低压区;级间孔分布的非对称性,导致压强及温度在发动机燃烧室中呈现显著的三维分布特性;高温区出现在隔板附近,而在装药前端、装药末端及外围级间孔轴线附近出现低温区。     

水环境下喷管流动分离数值研究

为了研究水环境下发动机喷管流动分离现象以及影响因素和规律,基于VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型,建立了水环境下固体火箭发动机喷流流场数值仿真模型,并进行了不同喷管扩张比和NPR(燃烧室总压与环境压强之比)下的喷流流场数值模拟。通过数值仿真分析获得了水环境下喷管内发生流动分离时推力、压力特征和流场非定常变化特征,水环境下喷管内流动分离具有强烈的非定常振荡特征,分离激波会在分离点与发动机喷管出口之间呈现推进-返回-推进周期性振荡的流动特征。同时,获得了喷管扩张比和NPR对流动分离特征的影响规律,相同水深环境下不同扩张比喷管对流动分离点位置影响较小; NPR越小,流动分离点的位置处喷管扩张比越小。     

燃气蒸汽式发射动力装置复杂内流场数值模拟

水下发射的燃气.蒸汽式发射动力装置内是一种包含了高温高压燃气湍流流动、冷却水射流的形成、喷嘴出口处的一次雾化、在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化、含相变的水、汽两相流动等复杂的流动过程.应用CFD技术对水下发射试验低压强点和高压强点进行了含相变的三维两相加质流场数值模拟.结果表明,采用雾化理论和数值仿真技术计算得到的流场形态、特征点状态参数以及冷却水汽化情况等与试验结果基本吻合,这种新的计算方法可作为发射动力装置研究的一种有效手段.     

液体亚燃燃烧室点火装置工作特性数值研究

基于气体动力学和计算流体力学的相关理论,采用CFD-ACE＋流场计算软件,对液体亚燃燃烧室点火装置单独工作时的稳态流场进行了数值模拟.在试验验证的基础上分析了点火器室压、点火导管内径和导管的结构形式对火焰点火性能的影响.结果表明：当点火器室温和燃气流量恒定时,若保持管道的扩张比不变,选用较低室压的点火器更利于点火;在一定范围内增大导管内径可以提高火焰的点火性能;燃气在直管内的流动损失较小,出口射流的速度较高,穿透深度较大,带弯头的点火导管出口火焰特征类似,有无弯头对火焰的影响很大,而角度差异产生的影响很小.     

固体火箭发动机燃气射流流场和声场数值计算

燃气射流噪声是固体火箭发动机工作过程中的主要噪声源之一,射流流场的参数对其产生的射流噪声有重要影响。通过大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟,随后在合适的声源面中,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了燃气射流噪声声压级的空间分布。计算结果表明,随着喷管尺寸增大,超声速射流核心区变大,喷口流场波节数增加,对喷管尾流场的影响域扩大,其产生的射流噪声也增强;燃气射流噪声辐射有较强的指向性,在射流轴向30°角方向噪声声压级最大,与相关文献中的试验结果比较吻合。研究结果可为后续固体火箭发动机降噪设计提供参考。     

翼柱形模拟发动机点火燃气填充过程研究

含翼槽发动机点火燃气填充过程对固体火箭发动机整个点火升压过程有着潜在影响.通过试验,测定在不同点火药量、不同堵片打开方式下,点火燃气填充过程中头部和尾部翼槽内的压强变化情况以及两翼槽内的压强响应时间间隔,并建立了模拟发动机的点火燃气填充过程计算模型,计算结果与实测数据吻合较好.结果发现,堵片的状况影响两翼槽内的压强变化情况,同时两翼槽内的压强响应时间间隔与燃烧室内主流燃气速度有关.     

发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

针对火箭发动机尾焰注水流场,组织并实施了火箭发动机系留点火及燃气流场注水降温缩比试验,研究了燃气冲击射流流场和注水作用下两相流场的分布状态以及降温效果。并通过研究在高温高速对流冲击作用下气液两相流的传热和传质理论,在Mixture多相流模型的基础上添加质量和能量源项,建立了多组分气液两相流非定常数值计算模型,通过对比试验结论,结果表明：所建立的数值计算模型具有较高的计算精度和可靠性,能够准确地反映物理现象。利用数值计算模型研究了注水后燃气、液态水和水蒸气三种主要组分在流场中的组成,通过与自由射流对比得到了注水燃气流场的包络线长度与宽度变化,注水对燃气流场降温效果显著。     

制导火箭弹大着角所需脉冲发动机数量的确定

推导出制导火箭弹为获得期望着角所需的脉冲发动机数量解析公式,并根据此公式对比研究了火箭弹分别采用同时点火和依次点火时俯仰角初始值、期望着角和脉冲发动机推力对脉冲发动机数量的影响。研究表明,同时点火方式优于依次点火方式;飞行末段姿态调整时间较长时,期望着角和初始俯仰角对发动机数量的影响很小;随着脉冲推力的增加,所需的脉冲发动机数量递减。     

发动机点火过程中压强振荡对人工脱粘的冲击分析

针对固体火箭发动机点火过程,采用流固耦合的方法数值模拟了点火过程中发动机内流场以及药柱人工脱粘附近应力应变的变化情况.计算表明,点火初期发动机内部出现激波,并在药柱通道内振荡传播,随时间减弱为压强振荡.压强波动时人工脱粘缝隙的冲击会影响脱粘缝内流场的分布和应力应变,人工脱粘层尖端应力变化与升压梯度变化存在对应关系.激波对人工脱粘缝隙的冲击会引起装药明显变形,但是不会使缝隙增大.