固体火箭发动机潜入和非潜入喷管内流场模拟及对比

利用FLUENT流场计算软件,对采用潜入和非潜入喷管的全尺寸固体发动机,采用二维轴对称模型和准定常方法进行了内流场模拟计算和对比分析.结果表明,喷管潜入结构可有效地降低发动机后封头壁面附近的燃气速度,从而比非潜入发动机有更好的热防护环境;两种发动机在燃烧室内压强、速度和温度分布大致相同,非潜入喷管发动机在喷管出口轴线处燃气速度比潜入喷管发动机的大,而温度和压强较低.     

无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程内流场计算

本文提出了计算无喷管固体火箭发动机压力建立过程的 P(x,t)模型,它的控制方程是一组一维非定常两相非平衡流和一组一维非定常两相非平衡流动力学方程,该方程采用 MacCormack 显示差分格式求解.本文还建立了在跨音速和超音速气流流动下的侵蚀燃烧模型,该模型适用于无喷管固体火箭发动机.利用本文的模型可精确预示无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程的内弹道性能,并可研究无喷管固体火箭发动机的内流场变化规律.     

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。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

固体火箭发动机喷管集成设计分析技术研究

固体火箭发动机喷管不仅结构形式多样,而且工作条件恶劣,长期以来难以找到一种通用的设计计算和分析的一体化方法。文中在大量研究喷管的结构形式、流动模型及传热模型基础上,利用先进的计算机辅助设计技术、有限元技术和两相流分析技术,研制出了喷管一体化设计、分析和计算软件。它可为喷管的热结构分析和发动机工作过程数值模拟提供参考。     

涡轮叶片辐射热冲击疲劳试验应力温度场模拟仿真

针对传统热冲击试验中大梯度热环境模拟难以实现的问题,采用虚拟试验技术,对基于石英灯辐射加热方式实现叶片热冲击疲劳特性试验的热环境进行模拟。以航空发动机涡轮叶片目标温度场分布为基准,模拟单纯石英灯辐射加热以及石英灯辐射结合内膜气流冷却这2种热环境状态。模拟结果表明:在辐射加热的同时引入内膜气流冷却后,模拟温度场与目标温度场分布更为接近,能够准确模拟涡轮叶片结构上沿厚度和叶弦方向的温度梯度以及结构内的热应力,从而保证热冲击疲劳试验方法的有效性。     

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.     

倒置喷管性能的实验研究

用双室串并固体火箭发动机测定由于喷管倒置引起的损失,以及用吸气式流动试验观察燃烧室内囚喷管倒置形成的流动特点。对于用双基药的实验发动机,喷管倒置150°引起的推力损失约1.8%。气流在燃烧室内有很大扰动,在倒置喷管进口附近有涡流和分离现象。     

液体火箭发动机在高空工作期间喷管及其周围流场研究

研究了液体火箭发动机(简称火箭发动机)在不同高度飞行时喷管内及喷管周围的气流流动参数分布与高度的变化关系.研究结果表明火箭发动机当其工作高度低于设计高度很多时,燃气在喷管内流动时将会产生激波;当工作高度接近设计高度时,燃气在喷管内流动时将产生微弱的斜激波;当工作高度超过设计高度时,燃气在喷管外将会产生"羽流","羽流"的面积随着飞行高度的增加而变大;当飞行高度大于设计高度时,应考虑燃气"羽流"对发动机及所携带载荷的影响,所携带载荷应有热及污染的防护措施;此时喷管应采用变面积比的喷管,即高度补偿喷管,此喷管的面积比随着飞行高度的增加而增大.     

《固体火箭技术》第28卷(2005年)总目录

第1期火箭研究及应用基于全模式遗传算法的导弹/固体冲压发动机一体化优化赵建民,等(1)…………………………………………………两种不同注水方式的燃气蒸汽式发射系统内弹道性能比较张仁军,等(5)…………………………………………………太阳能热推进的研究与发展…………………夏广庆,等(10)发动机发动机喷管喉衬烧蚀及热结构工程计算………付鹏,等(15)大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程分析…钟涛,等(20)大型固体火箭发动机研制的关键技术……………阮崇智(23)收敛-扩张喷管中运用次流推力矢量控制技术的计算研究邓远灏,等(29)……………     

液体火箭发动机喷管仿真模型

基于量热完全气体、组分冻结的热完全气体、化学非平衡气体模型建立了喷管性能仿真物理模型,采用三阶精度的WENO格式进行了不同气体模型的喷管流场计算。根据流场计算分析了四氧化二氮/甲基肼发动机和液氧/煤油发动机喷管的性能,并针对液氧/煤油发动机分析了室压和不同喷管扩张段型面对性能的影响。结果表明,采用量热完全气体模型所计算的比冲高于用热完全气体模型的计算值,这两种气体模型给出的计算偏差较大,且没有规律性;二维化学动力学计算结果更接近实测值;提高室压不仅能提高燃烧效率,也能减小化学动力学损失,使喷管性能提高;对Rao方法设计的喷管型面进行附面层修正可略提高性能,或在同样性能要求下略减小喷管长度。     

固体火箭发动机喷管效率计算

采用半经验法计算了固体火箭发动机喷管的效率，即用计算流场的方法确字喷管二维两相流损失和边界层损失，用SPP经验法预示了喷管的化学动力学损失，喷管烧蚀损失和喷管潜入损失。利用该方法对几个实际固体火箭发动机喷管效率进行了计算，计算结果与实际结果比较符合，精度偏差在1％之内。     

某运载火箭三级贮箱滑行段热分析计算

为保证某火箭三级发动机二次启动的可靠性，在分析滑行段热环境的基础上，用I-DEAS TMG软件时三级贮箱内增压气体、推进剂、固壁进行气液固三相耦合热分析。建立了简化的有限元模型，并综合考虑高温喷管延伸裙、空间外热流、三级底部各部件的遮挡等因素，计算了滑行段期间不同太阳入射角工况下的温度变化。计算和分析结果表明，高温喷管的辐射是影响三级底部热环境的主要因素。该运载火箭三级各部位温度变化能满足发动机二次启动的要求。     

级间热分离条件下带有延伸喷管的固体火箭发动机尾部流场分析

通过数值方法求解二维轴对称N-S方程,对级间热分离条件下带有延伸喷管的固体火箭发动机尾部流场进行了数值分析。分析表明,展开前,受限尾流使延伸锥、发动机后封头及基础喷管外壁处于严重的热环境中;展开过程中,尾流作用在延伸锥上的气动力变化剧烈。计算结果对发动机的热防护设计及展开机构的驱动力设计提供了依据。     

双斜喷管固体火箭发动机流动特性数值模拟

应用计算流体力学软件PHOENICS从二维湍流N S方程出发 ,对有 /无斜切的双喷管固体火箭发动机内流场进行了数值模拟。研究表明 ,对无斜切模型的喷管偏转角从 15°变化到 3 0° ,轴向推力损失约达 10 %。有斜切模型的喷管形状不对称 ,内流在出口处产生的扰动在较长一侧喷管壁反射 ,出现激波现象 ,引起流动的变化。     

火箭发动机喷管中气流分离预估的现状

在过膨胀火箭发动机喷管中,当壁面气流压力与环境压力之比达到一定值时气体会从喷管壁分离。这种气流分离及其理论预估是过去十年中试验和理论研究的课题,而且为预估气流分离而建立的各种模型和所做的各种假设已经得到很大发展,既有理论模型,也有纯经验模型。本文借助于在 DLR(德国航空航天研究院)所建立的数据库,对不同模型进行了论述,几乎包括了所有公开发表的气流分离数据。本文对一种新的、更加准确的分离准则提出了看法。试验时,在喷管中观察到两种不同的气流分离现象,即自由激波分离和受限激波分离。对这两种现象都进行了详细讨论,并描述了压缩波和膨胀波。对于自由激波,排气羽流中可以产生三种不同的激波结构:有规则的反射激波、马赫盘及帽状激波。这些激波除了存在于过膨胀喷营外,在满流喷管中也存在。对现有火箭发动机喷管,如 SSME 或火神号发动机喷管,所得到的数值结果与试验照片在定性方面是一致的。对不同类型的激波现泉进行了讨论。另外,对至今还未深入了解的受限激波分离现象也给出了解释,分析了它产生的原因和条件。结果是喷管型面的形状极大地影响着气流分离的形式。根据气流分离得到的这些结果,提出了对侧向载荷产生原因的看法。     

固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构优化设计

针对某型号发动机喷管扩张段壳体结构,建立了高精度三维扩张段热结构FEM模型,计算了喷管工作时扩张段壳体结构在承受高温、高压以及作动器外载的联合作用下,结构的应变及位移分布规律,并与全尺寸发动机喷管热联试的试验结果作对比。结果表明:热结构仿真计算与试验结果吻合较好,其中关键承载部位应变最大误差小于15%,验证了热结构仿真模型准确性及精度,可以用于工程上扩张段壳体热结构强度校核。在此基础上,以环/母向筋条数量为设计变量,采用First-order优化方法对喷管扩张段壳体结构进行减重优化设计,在满足强度和刚度要求的前提下实现了目标结构约30. 8%的有效减重。以上计算结果对于固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构设计优化,准确预估结构安全裕度有着一定的参考价值。     

固液火箭冲压发动机燃烧室流场数值仿真

固液火箭冲压发动机通过固液两种燃料匹配工作,相比传统的固体火箭冲压发动机和液体燃料冲压发动机具有较为明显的优势.基于离散相模型和单步反应模型,采用Fluent 对设计点飞行参数下,不同结构和不同工况条件下的燃烧室两相反应流场进行了数值仿真.结果表明,燃气发生器喷管参数和进气道进气角度主要影响空气与燃气流的撞击以及头部区...     

翼柱型装药固体火箭发动机燃烧室声场分析

燃烧室的声场特性分析是固体火箭发动机声不稳定研究的一个重要组成部分,建 立了复杂装药结构固体火箭发动机的燃烧室声场特性的计算模型,推导了小振幅三维波动方 程,采用有限元法进行仿真,得到了有喷管潜入段和无喷管潜入段的翼柱型装药结构空腔的 声振频率、振型和小扰动时的频率响应特性,分析表明,小扰动出现在声腔不同位置时,声 压响应均出现在声腔固有频率段上,但是声压幅值有较大差异,喷管潜入段的空腔对基频有 强阻尼作用。     

固体火箭发动机羽流温度和热流密度测量

为了获得固体火箭发动机喷管外流场的温度和热流密度,同时提高测量结果的响应程度和准确性,提出了一种固体火箭发动机外流场温度和热流密度新的测量方法。该方法应用了一套相同尺寸不同材料的双热电偶测温装置和热流测量计的组合测量装置,测量了发动机喷管外高温燃烧产物的温度和热流密度。采用FLUENT软件对固体火箭发动机喷管外流场开展了数值仿真,仿真结果与该方法的实测结果近似,进一步验证了该方法的正确性。研究结果表明,固体火箭发动机点火后喷管外部会产生高温高速的羽流,并伴随着一串串明显的激波,随着飞行高度不断攀升,羽流对外充分膨胀做功,其扩张角不断增大,激波也逐渐消失,同时该测量方法也可以为火焰导流槽的结构和热防护设计提供数据支持。