固体火箭发动机喷管热结构一体化计算

基于user-defined function(UDF)技术将固体火箭发动机喷管热结构计算程序嵌入到FLUENT软件中,通过UDF宏命令实现FLUENT耦合传热结果数据的提取,编写了接触边界的自动识别程序,采用直接约束法模拟喷管界面间的接触非线性问题,实现了固体火箭发动机喷管热结构的一体化计算.      

基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性

为了研究火箭发动机(SRM)斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。     

带装药裂纹发动机内流场数值研究

在N－S方程基础上，考虑网格移动，建立了适用于固体火箭发动机内流场的湍流控制方程组，并对带装药裂纹的固体的火箭发动机内流场进行了数值模拟，分析了推进剂中裂纹深度，宽度、位置、角度等多种因素对发动机内流场的影响，计算结果表明：（1）裂纹出口处流速高，大于主通道流速，在裂纹出口附近存在回流区；（2）当裂纹紧靠发动机前封头时，裂纹出口附近回流强度减弱，裂纹对发动机内的流动影响较小；（3）当裂纹深度与裂纹宽度比大于240时，裂纹内压强急剧升高，对发动机装药结构完整性具有重要影响。     

水力模拟与固体火箭发动机流场分析

水力模拟技术的发展，可以对固体发动机流场进行范围广泛的水力模拟。例如：轴对称流场，定常和非定常流动，亚音和超音流动具有激波的流动等。作用介绍了水力模拟的基本理论，轴对称流动水力模拟的主要对应关系以及水力模拟试验装置的简要情况。     

前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性

基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型.对比分析了纯气相和气固两相...     

飞行参数对射流矢量喷管内流场影响的数值模拟

采用三维雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机燃气二次喷射矢量喷管内外流场进行数值模拟,研究飞行参数对矢量喷管内主/次流耦合流场的影响。结果表明,自由来流造成喷管出口附近压力变化,通过喷管内壁面附面层作用影响喷管内部流动特性。飞行马赫数为超声速,或者环境压强较低时,侧向力大小与飞行参数无关。在低空亚声速流中,侧向力随飞行马赫数增加迅速减小,随环境压强降低而减小。     

带侵蚀效应的三维双燃速装药固体火箭发动机点火过程

针对三维双燃速装药固体火箭发动机,采用商用CFD计算软件的用户自定义方程对点火瞬态过程中的侵蚀燃速、燃面温度、质量源项、动量源项、能量源项及点火器入口等进行了二次开发,并进行了考虑侵蚀效应的点火瞬态过程流场仿真计算,与地面点火试验内弹道数据进行了对比分析。结果表明:点火初期发动机头部的气流流动十分复杂,且头部压强随时间变化十分剧烈;堵盖打开会造成头部升压梯度振荡,并产生负升压梯度;仿真与试验结果符合较好,说明采用一维非定常固相传热方程计算三维燃面温度可以满足当前工程要求,计算方法正确有效。      

旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机药柱表面传热以及燃速的影响

为研究旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机(SFRJ)药柱表面传热以及燃速的影响,以高密度聚乙烯(HDPE)为燃料,对旋流和无旋工况下的固体燃料冲压发动机进行了连管实验研究,并且编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序,采用流固耦合传热的方法以及非定常时间推进方式,对实验工况进行了数值模拟。结果表明:①药柱表面热流密度对燃速有显著影响,在回流区与附着点处,药柱表面的对流换热能力要明显优于再发展区;②在旋流工况下,在离心力与切向速度的作用下,使热解产物在药柱表面附近区域停留时间更长,有助于热解产物的充分反应,并且明显增强药柱表面对流换热能力,与无旋工况相比,提高幅度可达100%,并且在旋流工况下发动机可更快建立自持燃烧;③通过实验研究发现,旋流的引入提高发动机的燃速有积极作用,增幅可达26%,但会导致固体燃料冲压发动机补燃室压强出现周期性振荡。      

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

封闭水域内固体火箭发动机尾流结构数值研究

为了研究固体火箭发动机在封闭水域中工作时尾流场特性参数变化规律,建立三维空间模型,忽略重浮力等体积力及燃气与水之间的换热传质,采用Realizable k-ε湍流模型与VOF(Volume of fluid)多相流模型,针对试验水箱内固体发动机在不同水深条件下的工作过程进行数值模拟,获得尾流流场燃气射流形貌,以及水箱壁...     

固体火箭发动机喷管结构瞬态温度场的理论预估

本文采用目前广泛应用、效果显著的有限元法,对固体火箭发动机复合喷管结构的轴对称瞬态温度场进行了理论预估.在计算中考虑了对流换热系数沿喷管轴向的变化及材料的方向性.所编程序通用性较好.     

超期贮存固体火箭发动机使用性能评估

解剖了自然贮存14年的某型发动机,对所得推进剂进行了力学和燃烧性能测试.理论分析中建立了发动机三维内弹道和有限元模型,并根据计算流体动力学(CFD)计算边界网格和有限元模型(FEM)药柱表面网格异构但空间位置一致的特点,开发了发动机内弹道压力转化为药柱有限元载荷的算法,完成了发动机工作过程流场-结构的耦合分析,并对发动机的内弹道和药柱结构完整性进行了评估.试验表明:长期贮存后发动机中端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂力学性能变化体现模量增加和延伸率降低,燃烧性能也有一定变化;计算所得发动机内弹道能完成发射任务,同时发动机药柱的力学性能能保证工作期间的结构完整性,发动机基本满足使用要求.      

三维数值模拟再生冷却喷管的换热

为了解液体火箭发动机喷管再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的三维控制方程，进行流动和传热的耦合计算。在计算中，假定喷管流动为冻结流动，考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热；采用二阶迎风格式离散控制方程，采用DO模型离散求解辐射换热方程，水蒸气的吸收系数根据Leckner公式计算。计算模型采用缩比热试车发动机，数值计算结果与实验结果吻合较好，较准确地模拟出了喷管的壁面热流密度，得到了喷管燃气和冷却液的流场和温度场，对高压再生冷却喷管的设计具有指导意义。     

固体火箭发动机燃烧不稳定研究进展与展望

燃烧不稳定问题是今后相当长一段时间内固体火箭发动机燃烧流动领域需要解决的重要问题。由燃烧响应主导的燃烧不稳定问题具有很典型的非线性燃烧不稳定特征,是当前研究的重点与难点。采用非线性方法开展固体火箭发动机的非线性动力学分析,可以获得非线性燃烧不稳定的触发条件与稳定性区间,以及不稳定的增长过程和最终达到的极限环振荡状态。压强耦合响应、速度耦合响应、分布式燃烧、粒子阻尼和喷管阻尼是燃烧不稳定分析中重要的增益和阻尼项,在非线性燃烧不稳定分析中,这些增益与阻尼同样需要非线性表达式,需要开展精细的实验研究和理论分析,以获得更符合发动机实际工作状况的推进剂燃烧响应和铝分布式燃烧的非线性模型。深刻认识压强振荡增长过程中各阶模态间能量的传递规律,是揭示非线性不稳定触发机理和极限环形成过程的关键所在。在实验验证技术方面,需要建立起地面实验外部激励和飞试状态实际激励环境的等效分析方法,发展能够有效模拟实际飞行时发动机燃烧不稳定环境的地面等效模拟实验方法。     

Radiative properties of alumina/aluminum particles and influence on radiative heat transfer in solid rocket motor

The thermal radiation of micron-sized condensed phase particles plays a dominant role during the heat transfer process in aluminized Solid Rocket Motors（SRMs）. Open research mainly focuses on the radiative properties of alumina particles while the study considering the presence of aluminum is lacking. In addition, the thermal radiation inside the SRM with consideration of the participating particles is seldom studied. In this work, the multiscale method of predicting the thermal environment insi...     

固体发动机喷管扩张段斜向缠绕成型技术研究进展

布带斜向缠绕结构具有良好的抗烧蚀性能,在国外广泛应用于火箭、导弹的头帽和发动机喷管构

件。本文简单介绍了固体发动机喷管树脂基扩张段的布带缠绕成型技术,布带斜向缠绕成型技术在国外固体

火箭发动机喷管上的应用情况及我国固体发动机喷管扩张段布带斜向缠绕成型技术的研究进展。

     

含潜入喷管发动机尾部流场冷流模拟

为了揭示含潜入喷管的固体火箭发动机尾部流动特征,按照几何相近和气动相似原则设计了通道为矩形的二维冷流实验模型,利用相位多普勒粒子分析仪（ＰＤＰＡ）对燃烧室尾部气流的时均速度和湍流脉动速度进行了测量。实验结果表明气流在潜入喷管入口上发生分离,再附点位于喷管前端部外侧,背部空腔内形成一个较为稳定的回流区,流场的轴向和横向湍流强度都比较大。     

二维塞式喷管再生冷却换热的数值模拟

为了解塞式喷管再生冷却的换热特性 ,建立了二维型面塞式喷管计算模型 ,采用数值模拟的方法 ,研究了不同工况下塞式喷管的流场和换热特性。计算中 ,假定塞式喷管中的流动为冻结流动 ,考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热 ;采用二阶迎风格式离散控制方程 ,及 DO( Discrete Ordinates)模型离散求解辐射换热方程 ,水蒸气的吸收系数根据 Leckner公式计算。计算结果表明 :内喷管的受热情况最严重 ,需要重点考虑 ;塞锥的热防护随工作状况而改变 ,地面工况下塞锥的受热最严重 ,随着压比的升高 ,塞锥的受热逐渐减轻 ,最后不随环境压强而改变 ;塞锥型面设计不合理致使塞锥出现很高的温度峰值      

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。      

旋转飞行器固体火箭发动机内涡核流动的数值分析

为分析旋转飞行器固体火箭发动机内涡核流动,采用数值计算的方法对发动机流场进行模拟。计算结果显示发动机的旋转增强了轴向涡核流动,随着涡核的不断延伸,在喷管入口处,由于潜入式喷管结构以及喷喉直径较小,振荡运动随之加强。涡核在流经喷管时的不断增强,在喷管区域形成了非对称的压力形式,并且产生了实际中的扰动侧向力,最终导致了飞行器的章动不稳定性。