大型固体发动机潜入式喷管背壁区域熔渣沉积数值模拟

考虑凝相颗粒间的相互作用以及颗粒和发动机壁面之间的碰撞,建立了固体发动机潜入式喷管背壁区域熔渣沉积数值计算模型,并针对某大型固体发动机内熔渣形成过程开展了数值计算。结果表明,该计算模型具有较高的计算精度,计算结果可信;熔渣的沉积主要是由颗粒之间相互作用而形成的大尺寸颗粒与喷管潜入段内壁面碰撞并发生黏附而形成的;喷管潜入段入口处药柱燃面的形状对潜入段内熔渣的沉积过程具有一定影响。     

残余限燃环对大型分段式固体火箭发动机凝相沉积的影响

采用Euler-Lagrangian方法描述固体火箭发动机两相流动过程,数值分析了某大型分段式固体火箭发动机地面试车后在后段燃烧室筒段出现大量的Al2 O3凝相颗粒沉积现象,计算过程中考虑了气相湍流脉动对凝相颗粒的影响,并通过缩比分段式固体火箭发动机地面粒子沉积试验对计算结果进行验证,数值计算与试验结果基本吻合.二者结...     

长时间小过载情况下固体火箭发动机两相流流场数值模拟

对某飞行失效固体火箭发动机在长时间小过载情况下的三维两相流内流场进行数值模拟。在计算过程中,考虑了发动机实际飞行过程中由于自身旋转所带来的科氏加速度的影响。针对3个典型时刻,采用DPM模型和Sommerfeld数为判定准则的颗粒壁面碰撞模型,模拟固体火箭发动机的两相流流动,分析两相流流场特点,并给出了颗粒沉积分布区域以及沉积区域最大处颗粒冲刷的角度、速度及粒径统计分布。结果表明,在长时间小过载的情况下,发动机内流场原有的轴对称流动形态发生了改变,颗粒相在承载方向浓度增大,且颗粒沉积的最大浓度区域主要分布在发动机后封头的圆弧过渡段。数值仿真结果可为该类发动机后续的热防护设计提供一定的指导依据。     

航天飞机固体火箭发动机内的熔渣沉积模拟

固体火箭发动机含铝推进剂燃烧时,在其表面生成铝/三氧化二铝液滴。液滴一旦离开表面与其它液滴碰撞,就会形成大的聚结物(agglomerates)。大部分液滴或聚结物不能随燃气流排出喷管之外,可能沉积(deposite)在发动机的内表面。本研究通过流动模拟来了解航天飞机固体火箭发动机(SRM)内熔渣物的沉积过程和伴随而来的积聚(accumulation)、堆积(pooling)过程,从而提出一种分析方法,以预测与沉积和堆积过程有关的某些未知数。通过对发动机地面卧式试车后发动机内的凝固熔渣进行观察,定性地证实了用这一方法进行分析所得出的结果。本文用这些结果来解释 QM—2发动机(鉴定发动机)内的熔渣,同时也预测飞行过载对熔渣形成的影响。虽然这一方法是为 SRM 提出的,但也适用于任何结构的固体火箭发动机。     

测压管内颗粒沉积的数值模拟和试验研究

凝相颗粒在固体发动机测压管内的沉积有可能造成测压管堵塞,影响对导弹的控制, 因此开展测压管内颗粒沉积研究具有重要的意义。本文将凝相颗粒当作具有一定粘性的无相 变颗粒来处理,基于Eulerian\| Lagrangian 方法建立了描述颗粒与壁面相互作用的两相 流 数值模型,对测压管内凝相颗粒的沉积过程进行了数值模拟。计算表明沉积主要发生在离测 压管入口较近的有限长度内,沉积厚度从入口向内逐渐减小。为了验证数值模拟,本文还开 展了测压管内颗粒沉积的模拟实验。实验较好地模拟了真实发动机的内弹道曲线以及沉积现 象,实验测得的沉积量和沉积长度与计算结果较为吻合,验证了计算模型的合理性。本文的 研究结果可以为测压管内沉积的预示以及抑制方法研究提供方法。     

燃烧室对接狭缝设计参数对压强振荡的影响研究

为了获得分段式固体发动机药柱对接部位狭缝宽度对发动机压强振荡的影响规律,针对某典型分段式固体发动机建立了二维轴对称模型。采用大涡模拟(LES)方法,以"突扩比"为重要设计参数,完成了6种不同"突扩比"设计条件下的分段式发动机流场稳定性数值模拟,并分别对其压强-时间曲线进行了FFT分析。结果表明,随着"突扩比"的逐渐增大,燃烧室压强振荡频率基本不变,但压强振荡的幅值总体上呈现下降的趋势。所得分析结果已得到试验的初步验证。     

分段式固体发动机技术发展与应用进展

通过对国外分段式固体发动机发展现状、发展规律和技术特点的系统分析,并结合国内分段式固体发动机的技术发展现状,系统梳理了分段式发动机需攻克的大型分段对接、大尺寸柔性喷管设计与制造、压力振动抑制、推力偏差控制等关键技术,最终提出了加大分段式固体助推发动机研究力度以及探索高性能低成本技术途径的发展建议。     

零重力下固体发动机拖尾段熔渣排出机理研究

建立了零重力条件下固体火箭发动机拖尾阶段熔渣池的数学模型,利用VOF方法对拖尾阶段熔渣的排出过程进行了非定常仿真,获取了气液两相流场数据,模拟得到了熔渣池的动态演化过程,计算分析了液相熔渣密度、气相粘性和气液间表面张力系数对熔渣排出过程的影响。计算表明,在气液分界面上气流的冲刷作用下,熔渣池的几何形态持续变化,最终沿着喷管壁面排出。     

旋转条件下固体火箭发动机三维内流场数值模拟

基于颗粒轨道模型,通过运动方程加入过载加速度的方式建立了旋转条件下固体火箭发动机内三维两相流的数值模型,并利用该模型研究了不同的旋转加速度对固体火箭发动机中粒子运动轨迹以及聚集浓度的影响。结果表明,随着发动机旋转速度的增大,粒子的聚集带逐渐向壁面附近扩散,在发动机的轴向附近形成一个无粒子区域,旋转速度越大,无粒子区域越大;当旋转速度增加到一定值,粒子的聚集带向外扩散至壁面上,在前封头附近的壁面上形成一条与发动机母线成一定夹角的高浓度聚集带。     

固体火箭冲压发动机性能调节研究

在对固体火箭冲压发动机的高度特性进行分析的基础上，分别研究了壅塞式和非壅塞式固体火箭冲压发动机性能调节特性及方案，并着重分析了非壅塞式固体火箭冲压发动机的燃气流量自适应调节原理与规律，分析计算表明，非壅塞式固体火箭冲压发动机不仅结构简单，且能明显提高发动机在非设计状态时的性能。     

锥柱型装药固体火箭发动机两相内流场中颗粒运动的数值模拟

研究锥柱型装药固体火箭发动机(SRM)燃烧室和喷管的内流场具有重要的工程意义。针对某型发动机各工作时间下的不同情况,采用高雷诺数下的k-ε湍流模型和欧拉-拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC气固耦合计算方法,对其内流场进行了三维两相一体化计算。最后给出了流场内部分颗粒运动的轨迹图像及颗粒与壁面碰撞的一般规律。在不同的时间下,不同尺寸的颗粒会撞击壁面不同的位置,但主要集中在壳体与喷管的相接部分和喷管的收敛段。局部的旋涡也会对颗粒的运动以及颗粒的碰撞沉积、聚集等造成较大影响。     

飞行过载下燃烧室凝相粒子沉积特征数值研究

固体发动机燃烧室部分凝相粒子在飞行过载作用下产生沉积,严重影响发动机工作性能。通过确定燃烧室粒子参数和建立燃烧室内两相流场数值方法,获得了发动机不同轴向过载下粒子运动及沉积规律。与试验数据进行对比分析,验证了计算方法的准确性。数值结果表明,随着轴向过载增大,后封头及喷管潜入段粒子沉积质量逐渐增大。沉积粒子粒径大于凝相粒子平均值,即粒子粒径越大,越容易沉积。轴向过载增大,减小了粒子在发动机内部的驻留时间,凝相粒子平均驻留时间均大于0.13 s。     

室内壁面近避区颗粒物沉积MonteCarlo模拟

室内颗粒物壁面沉积是颗粒物在室内环境中最为重要的动力学行为。论文从微观角度探索室内颗粒物在水平壁面和垂直壁面上的沉积行为。应用MonteCarlo方法求解颗粒对流扩散方程,初步模拟出两类壁面上颗粒物的多层沉积过程的二维物理图像,获得了一些有益的结果。     

三氧化二铝颗粒在喷管内的沉积

本文根据一系列复合推进剂固体火箭发动机的中止燃烧试验,提出了三氧化二铝颗粒在发动机喷管内的沉积计算模型,并通过轴对称喷管两相跨音速流场计算及喷管传热分析,预示喷管内的沉积规律及沉积对喷管壁内温度场的影响。预示结果与实验结果基本相符。文中还比较了燃烧室压力,推进剂中铝含量对沉积影响的实验结果和理论预示结果,它们也基本相符。     

碳粉燃料在火箭冲压发动机补燃室内燃烧特性的分析

采用概率密度函数(PDF)及确定轨道模型数值模拟一种环向进气的固体火箭冲压发动机补燃室气固两相流的掺混燃烧,考虑固体颗粒直径大小和补燃室长度对燃烧效率的影响。结果表明:增大固体颗粒直径,燃料的燃烧效率明显减小;增大补燃室长度,燃料的燃烧效率增大。     

羽流中固体颗粒在真空环境下分布的数值仿真

通过对气?固两相间动量和能量相互作用解耦处理,建立了一种适于模拟真空环境气固两相混合物羽流的DSMC双向耦合算法与固体颗粒空间输运变化特性的TPMC计算技术。仿真了固体火箭发动机两相羽流流场和固体颗粒在远离发动机喷口数十公里空间扩散运动分布特性,通过将计算结果与典型文献结果及理论分析比较确认,证实本文方法的准确可靠性。结果表明,固体颗粒对气相的扩散有一定的阻滞作用;仅在离发动机喷口一定距离,气相对固体颗粒有较大影响,致颗粒温度下降、速度增加;颗粒温度随发动机喷口距离增大而减小,一直要在远离喷口上百公里颗粒温度才随轴向位置趋于平衡,且不同尺寸的颗粒温度差别较大,对指导外层空间高真空环境气固两相羽流传输影响工程研制具有重要意义。     

大型分段式固体火箭发动机点火瞬态过程研究

通过建立固体火箭发动机点火瞬态数学模型,对某大型分段式固体火箭发动机工作初期小火箭式点火装置的火焰喷射方式、分段对接部位火焰传播过程以及前后翼燃面的传播过程等进行数值计算研究。计算结果表明,发动机点火过程中,燃烧室内的流动顺畅,没有出现压强异常振荡现象,点火初期的火焰冲击对分段对接部位的绝热结构影响很小,但整个后翼槽药面全部点燃用时在整个火焰传播期用时占比过大。数值计算结果与全尺寸发动机地面热试车结果对比表明,数值计算点火平衡压强、压强爬升时间以及升压速率与地面热试车结果吻合性好。     

采用液体喷射实现固体发动机主动冷却的探索研究

为寻找固体发动机热防护的新途径,开展了固体发动机液体喷射主动冷却的探索性研究。组建了1套固体发动机液体喷射主动冷却试验系统,开展了原理试验。水作为冷却工质,沿收敛段壁面喷射,试验中对内壁面和外壁面处的温度进行了测量。试验结果表明,冷却工质的引入大大降低了发动机收敛段内壁面的温度,但会造成一定比冲损失;冷却工质参与做功,发动机推力有所增加。建立了液体冷却固体发动机的性能计算模型,并用试验结果进行了校验;根据试验得到了冷却效能估计经验公式。     

我国自主研制的最大分段式发动机试车成功

?3.2 m三分段大型固体火箭发动机是由航天四院自主研制的迄今我国直径最大、装药量最大、工作时间最长的固体分段式助推发动机.由分段式燃烧室、固定喷管、点火装置等组成,主要用于集成验证3. 2 m直径多分段发动机点火-流动匹配性、分段燃烧室密封结构、大尺寸C/C喉衬及喷管扩张段分段连接结构等在发动机长时间工作过程中的可靠...     

宽粒径范围颗粒对气相膨胀的影响

利用双流体模型对固体火箭发动机喷管内气固两相流进行计算,研究了两相流中颗粒相与气相的相互作用,分析了颗粒粒径及颗粒质量分数对两相流中气相在喷管中膨胀的影响。结果表明,颗粒粒径造成两相流损失的大小是颗粒比表面积、气相湍流动能及颗粒在喷管内的滞留时间等因素共同作用的结果,两相流损失随着颗粒粒径的增大先增大、后减小,同时随着颗粒质量分数增大而增大;JPL喷管中粒径为2μm的颗粒造成的两相流损失最大,此粒径下,当颗粒质量分数从10％增大到40％时,两相流损失从10％增大到26％。