固液发动机固体燃料瞬态退移速率

为了研究固液混合火箭发动机中固体燃料退移速率在发动机工作过程中的变化特性,基于固液混合火箭发动机的工作特点,利用燃烧流动与固体区域传热耦合计算以及动网格技术,建立了固液混合火箭发动机固体燃料瞬态退移速率预示的数值模型,并对某带预燃室、补燃室以及扰流环结构的模型发动机进行了研究。计算结果表明,固体燃料热解表面的温度以及退移速率随着发动机的工作逐渐降低;在同一时刻沿发动机轴线燃料热解表面上各点的退移速率以及温度不同;扰流环可以提高它后面局部区域固体燃料的退移速率以及表面温度。     

混合火箭发动机燃料退移特性的数值计算

混合火箭发动机在航天推进领域优势明显,但由于氧化剂和燃料相态不同,燃料退移的机理和特性比较复杂。采用自行编写的混合火箭发动机程序(HRM)模拟了这种发动机的非稳态工作过程。通过该程序实时数值求解了从氧化剂注入端到尾喷管的全部物理化学过程,并基于燃料表面上气固间的质量和能量耦合,运用燃料表面动态退移和两步计算方法,模拟了燃料退移。在与发动机推力和燃料退移量等实验数据对比的基础上,给出了燃料退移速率方程和燃料退移速率随燃烧室直径的变化规律,确定并分析了影响混合火箭发动机尺度效应的因素。     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

固液火箭发动机试验燃速的计算

基于固液火箭发动机固体药柱燃速与药柱通道氧化剂质量流率的关系,推导分析得出:在2s短工作时间内或者药柱通道直径增大10%的情况下,燃烧室压力与其氧化剂质量流量成正比.因此通过试验测量的燃烧室压力可计算得到发动机转级或者关机拖尾段中的氧化剂质量流量.据此,计算发动机拖尾段消耗的燃料质量,消除发动机拖尾段燃料消耗对平均燃速的影响,可以修正常用的计算试验燃速的起止点平均法.利用此方法对两种试验推进剂组合的燃速进行了计算,原偏高的燃速值降低约20%,不同尺寸发动机的燃速符合尺寸规律,偏差在5%以内,使小尺寸发动机测得的燃速可应用到大尺寸发动机的设计中.      

轴向喷注端面燃烧固液火箭发动机数值仿真

针对一种轴向喷注端面燃烧固液火箭发动机开展了研究,分析了该类发动机的燃烧机理,建立了考虑气-固边界耦合及燃料热解的发动机燃烧流动仿真模型,对发动机内流场进行了数值仿真.分析认为:发动机内存在端面燃烧和侧面燃烧两种燃烧状态,燃烧状态主要受氧化剂流速的影响.当氧化剂流速跨越转变速度后,燃烧状态发生改变.发动机流场数值仿真结果同样表明:不同氧化剂流速下发动机内存在上述两种燃烧状态,仿真得到的转变速度区间与文献试验结果吻合较好.      

脉冲发动机建压段瞬态燃速模型

针对脉冲发动机工作时间短,压强高的特性,对建压阶段的瞬变燃烧过程进行了模型研究。该模型基于非稳态凝聚相能量方程,并耦合气相热反馈为求解该能量方程的边界条件,从而引入压强对燃烧过程的作用。模型中压强的变化规律由同样条件下的试验p-t曲线拟合得到。通过模型计算,可以对建压过程中推进剂表面温度随时间的变化规律、各压强下的瞬态燃速做出预测,结果与试验数据较好地吻合。用该瞬态燃速进行建压段内弹道仿真,与稳态数据相比,更接近实测曲线,表明该模型可以用于脉冲发动机建压段的瞬态燃速的预估。     

固体火箭发动机射流中存在障碍物时的流场分析

基于N-S控制方程和RNGk-ε湍流模型,采用FLUENT软件对某固体火箭发动机存在球形障碍物的射流流场进行了数值模拟,得到了球形障碍物尺寸及距离喷管出口位置对射流流场的影响规律。计算结果表明,当障碍物处于第一个膨胀压缩过程之后与第二个膨胀压缩波过程之前的特殊位置时,它对整个射流火焰宽度的影响最为显著,该计算结果与某次发动机试车失败时所观测的现象相符。     

固液混合发动机燃面退移规律辩识方法

为了以尽可能少的试验对固液混合发动机的燃面退移规律进行辨识，采用在一发试验中适当调节工作参数的方式，并结合瞬时燃面退移速率求解方法，总结出了一套固液混合发动机燃面退移规律辨识方法进行了试验验证，结果表明：采用二维药型的固液混合发动机，通过一发试验即可较准确地掌握其燃面退移规律，还可应用于其它同种类型的固液混合发动机内弹道性能预测。     

燃烧室结构对固液火箭发动机燃速和性能的影响

对不同燃烧室结构固液火箭发动机进行了二维轴对称一体化数值计算,计算结果表明:燃速随前燃室的增长而增大,增幅越来越小,特征速度和真空比冲随前燃室的增长先增大后趋于平稳.后燃室的长度对燃速没有影响,特征速度和真空比冲随后燃室的增长而增大.相同氧化剂质量流率下,药柱长径比不影响燃速沿轴向分布,平均燃速随药柱长径比的增大而增大,增幅越来越小,最终趋于平稳,特征速度随药柱长径比的增大先增大再减小,在长径比为10.0附近达到最大值.相同理论氧燃比下,燃速随长径比的增大而增大,但不影响燃速的分布趋势;燃烧效率随着长径比的增大先减小再增大;实际氧燃比随长径比的增大而逐渐减小,且变化趋势逐渐缓慢.      

固液混合火箭发动机仿真与优化设计

建立了固液混合火箭发动机的仿真模型和相应的单目标和多目标优化模型,编制了系统仿真程序;采用差分进化算法针对不同的优化目标对发动机的参数进行优化;针对挤压式系统建立了质量模型,在优化过程中考虑了主要部件结构质量对发动机性能的影响;针对固液发动机常用的侧面燃烧药柱编制了内弹道计算程序。以药柱几何参数、氧化剂流量、燃烧室平均工作压强和喷管扩张比等参数为设计变量,对发动机平均比冲、总质量、关机时飞行速度和密度比冲等性能参数进行优化,在Pareto分析的基础上选择了氧化剂流量、燃烧室平均工作压强和喷管扩张比对发动机性能的影响作了深入研究;最后对某型固液发动机进行了优化分析。     

固体火箭发动机气动喉部非定常过程

利用流体计算软件FLUENT,通过UDF编程对气动喉部调节固体火箭发动机推力的典型工作过程进行了数值模拟。对推力调节过程中的瞬态轴对称燃烧室流场进行了分析,得到了压强-时间曲线。分析了发动机空腔容积、二次流喷射角度对推力响应特性的影响,并得到了典型的推力-二次流总压调节特性曲线。其研究结果可为利用气动喉部技术的变推力发动机设计提供一定依据。     

固液混合火箭发动机燃烧的边界层计算

针对固液混合火箭发动机典型的边界层燃烧理论，用边界层的方法对固液混合火箭发动机燃烧进行了计算，计算采用二维轴对称的层流边界层方程，化学模型采用有限速率模型。计算考虑了不同氧化剂流率，不同吹入参数的多种情况，得到了固体混合发动机边界层的温度场分布，并利用计算结果，拟合了固体燃料的燃速公式，与相关文献的比较说明计算正确，结果符合燃烧机理和流动规律，为进一步研究固液混合火箭发动机的燃烧问题打下了基础。     

Three-dimensional numerical analysis on combustion performance and flow of hybrid rocket motor with multi-segmented grain

This paper presents the combustion characteristics in hybrid rocket motors with multisegmented grain through three-dimensional numerical simulations. Multi-segmented grain is composed of several thin grains with two or more ports. The numerical model consists of Navier-Stokes equations with turbulence, solid fuel pyrolysis, chemical reactions, a fluid–solid coupling model and a regression rate model. The simulations adopt 90% Hydrogen Peroxide(HP) and PolyEthylene(PE) as the propellant combinati...     

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。     

Transient flow characteristics and performance of a solid rocket motor with a pintle valve

The pintle valve is currently the most promising technology among all thrust control methods for solid rocket motors. Pintle structure and working condition play a critical role in the successful operation of a pintle motor. Here, 2D transient simulations of a pintle motor using dynamic meshing are performed. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations are solved with the implementation of an RNG k–e turbulence model. In cold flow test, emphasis is placed on the effect of pintle structure, and in ...     

泵压式固液火箭发动机系统仿真与优化设计

提出了以高质量分数过氧化氢为氧化剂的泵压式固液火箭发动机的系统仿真和优化设计方法.利用高质量分数过氧化氢易催化分解的特点,建立了采用泵压式输送系统的固液火箭发动机系统仿真模型,并应用遗传算法分别对采用挤压式和泵压式两种输送系统的固液火箭发动机开展优化设计.结果显示:虽然增加了管路系统的复杂性,但在总冲相同时,泵压式固液火箭发动机在质量、体积、比冲等性能上均优于挤压式固液火箭发动机,因此具有更大的工程应用潜力和优势.      

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。      

用粒子仿真法计算含缺陷固体发动机内流场

利用“N-S方程 粒子仿真”方法来计算含缺陷固体发动机的内流场，计算结果表明：该模型可以很好模拟裂纹对发动机内流场的影响，同时指出环形裂纹内的流动对主流的影响大于纵向裂纹，环形裂纹内上游位置流动对主流的影响较下游位置的大，并可以保持到喷管喉部，翼槽附近的环形裂纹内的流动，对主流的影响相对较弱。     

固体火箭发动机后效推力对导弹底阻影响的数值仿真

采用二维轴对称N-S方程与湍流模型相结合,建立了固体火箭发动机喷管尾流和弹体外流一体化仿真模型.针对给定的导弹模型,开展了不同发动机燃气流量下的流场仿真,得到了流场速度和压力分布,分析了不同燃气流量下发动机后效推力对导弹底阻的影响.结果表明:与发动机不工作时相比,加入较小的燃气流量后,导弹底部压力增大,底阻值减小.随着燃气流量的增加,底部压力先减小后增大,底阻先增大后减小.随着燃气流量的增加,后效推力与导弹底阻的合力不断增大,且动推力所占比重逐渐增加.      

变控制流供应角度涡流阀固体变推力火箭发动机调节方案

针对涡流阀变推力发动机变控制流供应角度方案,开展了发动机工作特性的数值模拟及实验研究。数值研究结果表明:采用变控制流供应角度可以很好地实现涡流阀变推力发动机的推力调节;涡流阀最大推力调节比超出加质发动机调节比26%;调节比随着控制流供应角度的减小而增大。实验结果表明:变控制流供应角度方案可行,验证了“气 气”调节的优越性。变控制流供应角度涡流阀固体变推力发动机为实现固体发动机推力调节提供了一种技术途径。