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。     

固体火箭发动机的加速度效应

本文研究旋转固体火箭发动机在加速度载菏下的性能变化。根据至今己提出的4种重要模式:力学模式、热力学模式、应力模式、气动力学模式,得出了每种模式的简化模型,并附加了一个内弹道计算机程序。分析结果表明,应力模式对圆孔药柱并不重要。其它模式对固体发动机性能都有影响。分析结果与发动机数据比较表明,侵蚀燃烧效应是旋转速度的函数。     

旋转固体火箭变质量运动特性分析

借助于变质量陀螺方程,分析在主动段发动机尾喷口直径的变化对旋转固体火箭自旋速度的影响,得出对于双推力发动机在助推段向巡航段过渡时,由于发动机质量流量的改变,会使静稳定旋转固体火箭自旋速度以及弹体升力系数发生改变,导致弹道波动,进而得出为使旋转固体火箭自旋速度和弹道稳定,发动机尾喷口直径应与燃烧室内径相等的结论。利用Bendixson-Dulac定理,从微分方程理论给出了主动段飞行的旋转固体火箭,要么不发生锥形运动,要么仅发生一种稳定的锥形运动的理论证明,并得出气动阻尼不利于弹体姿态的结论。最后推导出旋转固体火箭变质量特性对弹体的章动阻尼作用的解析公式。     

高过载下固体发动机内Al2O3粒子运动状况的数值模拟

针对φ127 mm、φ315 mm试验发动机及大长细比发动机工作状态和结构特点,开展了燃烧室内三维两相流流动数值模拟,分析了横向和纵向加速度载荷对各种发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响。计算结果表明,不同轴向、横向过载对粒子的聚集位置、聚集浓度、冲击角度、速度有很大影响,轴向过载不变情况下,随着横向过载增大,粒子冲击速度减小、冲击角度增大、冲击位置前移,但粒子聚集浓度变化规律与轴向过载大小有关;药柱结构对发动机内粒子聚集也有很大影响,不同的药柱结构,过载的影响规律不同。     

某型号固体火箭发动机高速旋转试验台设计

火箭发动机旋转试验台可在地面模拟火箭发动机飞行过程中的高速自旋环境,通过对发动机旋转工作状态下的控制和监测,为旋转发动机流场及内弹道研究提供试验数据。为模拟发动机旋转时点火飞行的受力工况,试验台不仅需驱动发动机一起做高速旋转运动,保证发动机在轴向上具有自由度以测试推力,还需承载发动机点火时产生的巨大冲击振动。为此,试验台采用卧式布局,底座通过预埋件与混泥土基建固连,提高试验台抗倾覆能力;驱动系统采用大功率电机,通过传输轴间接驱动发动机达到高转速;转子外部增设防护罩,防护转子的高速旋转;在工程设计中,通过对核心部件进行结构优化和质量控制,降低转子转动惯量和提高结构强度,并使其满足固体火箭发动机进行旋转的同时具有轴向自由度。最后,对转子进行了仿真和动平衡分析。结果表明,试验台结构上要求核心部件为轴对称结构,表面无凸起,在离心力作用下,套筒半径越小、壁厚越大、长度越短,结构强度越好,并且壁厚对变形量的影响较为显著,经过优化设计核心部件,可保证装置稳定运行。     

固体火箭发动机撞击安全性数值分析

针对固体火箭发动机撞击安全性问题,采用数值分析方法,建立了某两型高能固体火箭发动机轴向与径向撞击模型,完成了不同速度、不同撞击角度下的发动机安全性分析计算,得到了在不同撞击条件下固体火箭发动机推进剂的燃烧、爆炸等反应特点。对比相同工况下的火箭撬试验结果,计算结果与实际试验接近,验证了数值模型及参数的正确性。利用已验证的模型和参数,采用相同的计算方法,通过对模型在不同速度下进行多次仿真计算,得到两型发动机的撞击临界速度。研究表明,对于高能固体推进剂固体火箭发动机,随着尺寸与装药量增大,其撞击安全性降低,在相同尺寸时,径向撞击比轴向更容易发生反应。研究结果为高能固体火箭发动机的设计及撞击安全性分析提供了参考。     

固体火箭发动机飞行比冲的再现

飞行时的发动机平均比冲通过以加速度为基础的再现火箭速度来计算,推导比冲公式使用的模型中,考虑了推进剂和惰性物质的排放量、理想飞行速度方程及计算的速度损失。但是,一些固体火箭发动机出现了尚不明了的地面与飞行间的比冲损失。求大力神—4固体助推器比冲的经验表明:燃烧过程中比冲的变化可以计算这部分损失。推导了变化比冲的理想速度方程并加以讨论,指出比冲变化的原因。     

沉积速率及其对喷管壁温影响的理论研究

固体火箭发动机喷管的沉积不仅影响发动机工作性能也影响喷管壁表面和壁内的温度随时间的变化规律,本文根据沉积过程的传热模型计算了三氧化二铝在固体火箭发动机喷管喉部的沉积速率,与实验结果相符合,并计算了在沉积过程中喷管壁内温度分布随时间的变化过程,数值计算表明,在沉积的初始阶段由于凝相粒子所释放的热量将增加向喷管壁内的传热,温度上升比没有沉积时要快,随着沉积层的加厚逐渐阻挡气相向喷管壁的传热,而使壁内的温度随时间的增加有一个峰,理论与实验结论一致。     

锥柱形装药旋转火箭发动机的零维内弹道计算

介绍了锥柱形装药的旋转固体火箭发动机的零维内弹道计算方法.计算结果与旋转试验结果吻合较好,两种结果均表明锥柱形装药呈现较大的加速度场效应.     

旋转对固体火箭发动机性能的影响

简要介绍固体火箭发动机绕自轴旋转产生的径向加速度对中心开孔装药的固体发动机的影响,如推进剂燃速增大、内流场变化,以及壳体过热等等.阐述根据全尺寸发动机的试验数据,用控制论中的辨识技术确定在旋转状态下的推进剂燃速的方法,并证明了该方法在工程应用上的可行性.     

射流推力矢量喷管中粒子运动轨迹的数值模拟

用颗粒轨道模型对基于激波控制的二维收缩-扩张(2-DCD)喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,研究了1～60 μm不同直径颗粒的运动轨迹.研究表明,颗粒尺寸越小,粒子的随流性越好;颗粒尺寸越大,主流中的粒子与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大,二次流中的粒子对下壁面的碰撞越剧烈.     

基于MSDM方法的粒子-固壁侵蚀效应研究

为研究导弹发射过程中发动机喷出的高温高速粒子对发射装置壁面的冲刷和侵蚀作用,利用MSDM(微尺度动力学模型)方法,建立了粒子对固壁材料的冲刷侵蚀模型,对粒子入射速度、入射角度、粒子尺寸及固壁材料特性等影响侵蚀效应的因素进行了研究,获得了粒子入射条件、固壁材料特性与侵蚀效应的相互关系.用MSDM方法将粒子和固壁离散为具有一定连接关系的微团质点,并利用材料属性和牛顿运动关系确定了微团间的相互作用和运动过程.研究表明,该方法在分析粒子-材料侵蚀方面具有一定效果.     

冲蚀条件下炭布橡胶绝热层烧蚀实验与计算

开展了冲蚀条件下一种炭布橡胶类绝热材料的烧蚀实验,研究了颗粒浓度和冲蚀速度对该绝热层烧蚀的影响规律。实验结果表明,实验条件下冲蚀速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素;冲蚀速度较低时,即使颗粒浓度很高,烧蚀率也不是很大。在实验基础上建立了一种基于炭化烧蚀模型的烧蚀计算模型,即首先根据实验数据建立冲蚀状态与炭层厚度之间的关系,然后采用传统的炭化烧蚀模型进行烧蚀计算,计算结果与实验结果在一定程度上较为吻合。     

Numerical investigation on hydrodynamics of gas-binary particles flows using a second-order-moment turbulent model

A binary-particles Reynolds stress equation is developed on the basis of single second-order-moment turbulence model. In this model, particle–particle two-phase fluctuation velocity correlation transportation is proposed to fully reflect their anisotropic characters, as well as each of particle interaction with gas phase is taken into account. Swirling gas-particle flow experiments data is used to validate this model simulation in term of the reduced codes of the mono-disperse particle gas-particle flows. Numerical simulations are performed for the gas-binary particles mixtures turbulent flows and results shows that the axial Reynolds stress in near wall regions is approximately 3.0 times greater than the tangential direction and the tangential Reynolds stress in central axial region is approximately 5.0 times greater than the axial direction. The Reynolds stress in the axial direction and tangential direction are redistributed due to binary particle–particle collision. The ratio kinetic to particles collision contributions in binary mixture system are varied with the different particle density and the diameter size compositions.     

Simulation of rocket plume and lunar dust using DSMC method

When lunar modules land on the Moon, dust impingement on the lunar module components and deposition on the thermal and optical surfaces would cause many serious problems. The emphasis of this research is on simulating the interaction of rocket plume and lunar dust using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. The method is extended to model the movement and collision stages of rarefied plume gas and dust particles, including three collisional mechanisms: molecule–molecule, molecule–particle and particle–particle collisions. The reflection of gas molecules on the particle surface is computed by an indirect approach based on the coordinate transformation. Neighboring-cell contact detection scheme is applied to check for contacts between all possible particle pairs. The simulation results show that the acceleration of dust particle is mostly determined by the parameters of plume field. In the computational regions with larger gas density and velocity the particles can be accelerated to larger velocity and convected to higher temperature.     

Numerical investigation on gas–particle flows in horizontal channel under the reduced gravity environments

A unified second-order-moment gas–particle two-phase turbulent model incorporated with kinetic theory of granular flows (USM-θ) is developed to study the particle dispersion behavior of dense gas–particle flows in horizontal channel with 6.96 μm wall roughness and with earth, lunar and microgravity environments, respectively. Anisotropy of gas and particle two-phase stresses and the interaction between two-phase stresses are fully considered by constructing two-phase Reynolds stress model and the transport equation of two-phase stress correlation. The flow behavior of particles in a horizontal channel of Kussin and Sommerfeld [12] experiments is numerically simulated. Results show that the reduced gravity conditions affect the particle concentration distribution, particle velocity and fluctuation velocity, particle temperature, axial–axial fluctuation velocity correlation of gas and particle and particle collision frequency. Under microgravity conditions, particle temperature and collision frequency are much less than those of earth and lunar gravity. Compared with earth gravity, anisotropic of two-phase flow and sedimentation are weaker.     

高温固体颗粒气动阻力系数数值计算

在发动机喷管的气粒两相流场中,金属颗粒阻力的准确计算对整个流场的模拟有着重要作用.而高温颗粒与周围气相的传热会改变气相的性质,进而影响颗粒的气动阻力.采用k-ε湍流模型和强化壁面处理方法,计算了雷诺数Re在0～10 000范围内,颗粒与气相不同温差情况下球形单颗粒的气动阻力系数.颗粒温度升高,颗粒所受的气动阻力随之增加,但是增加的幅度随Re的增加而减小;根据计算结果,拟合了以颗粒雷诺数为自变量的高温颗粒气动阻力系数的计算公式.通过与低Re下的实验数据的对比,验证了所拟合公式的适用性和可信性.     

Acceleration and particle transport in collisionless plasma in the process of dipolarization and nonstationary turbulence

This work is devoted to studying the processes of the acceleration of plasma particles in thin current sheets that appear during magnetospheric substorms in the Earth’s magnetosphere tail. A numerical model of magnetic dipolarization accompanied by plasma turbulence has been constructed and studied. The model allows one to investigate the particle acceleration due to the action of three principal mechanisms: (1) plasma turbulence; (2) magnetic dipolarization; (3) their simultaneous action. For the given velocity kappa-distributions, we obtained energy spectra of three types of accelerated particles, i.e., protons p⁺, ions of oxygen O⁺, and electrons e^–. It has been shown that the combined mechanism of dipolarization with turbulence (3) makes the largest contribution to the increase in the energy of protons and heavy ions as compared with a separate action of each of mechanisms (1) and (2); in this case, electrons accelerate less. The consideration of the joint action of acceleration mechanisms (1) and (2) can explain the apparition of particles with energies on the order of magnitude equal to hundreds keV in the Earth’s magnetosphere tail.     

用于粒子分离器的砂粒反弹特性实验研究

针对砂粒反弹特性所面临的基础问题及其复杂特点,采用实验与理论分析的方法研究砂粒反弹机理。以砂粒与板面碰撞反弹为起点,自行设计了测量砂粒反弹系数的实验系统,并用高速摄影仪捕捉砂粒的运动轨迹,通过图像处理获得不同粒径的砂粒与不同材料的板面碰撞前后的速度矢量。以实验测量数据为基础,理论分析砂粒运动特性,总结砂粒反弹系数与入射角度之间的关系,建立不同材料的砂粒反弹系数的拟合公式,为进一步提高粒子分离器的分离效率提供研究基础与理论支撑。     

颗粒相对固体火箭发动机稳定性影响的大涡模拟研究

为研究颗粒相对固体火箭发动机(SRM)稳定性的影响,在考虑颗粒燃烧和两相间耦合的条件下时模型固体火箭发动机内部多相湍流进行了大涡模拟.结果发现:在颗粒相的作用下,发动机上游形成了强度很小的小尺度湍流;在主燃烧室可观察到颗粒相具抑制大尺度湍流向流场核心区和近壁区渗透的作用,抑制作用受颗粒大小和含量的影响.颗粒相可增加小尺度的湍流扰动,但同时也抑制了主燃烧室内大尺度湍流的不稳定性.