粒子侵蚀潜入喷管端头的质量损失率计算

粒子侵蚀对潜入式喷管端头的影响非常明显,已引起了喷管设计人员的关注。本文介绍了粒子侵蚀喷管的烧蚀计算。分析与计算结果表明,对喷管潜入段端头区主要是粒子侵蚀(即机械剥蚀)造成的质量损失,热化学烧蚀仅占总损失量的25%左右。喉道区及扩散段,则为热化学烧蚀。计算结果表明:粒子侵蚀引起的质量损失与粒子速度、粒子半径、粒子冲角有关。粒子半径越大,造成的质量损失越大,粒子冲角越大,造成的质量损失也越大,而冲角的影响作用更明显。对有粒子侵蚀时典型喷管的烧蚀计算结果与试验测量结果比较表明,用本文提供的方法所得到的理论计算值与试验测量值符合较好,能满足工程设计的需要。     

随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用

应用随机轨道模型对喷管内气-固两相流动进行了数值模拟,结合实验测量结果对使用随机轨道模型和确定轨道模型两种方法的计算结果进行了对比分析,研究了不同固相参数(固相质量比和粒子平均直径)下的固体火箭发动机喷管性能。研究发现,随机轨道模型对实际流动现象的模拟优于确定轨道模型,随着固相质量比和粒子平均直径的增加,喷管两相流损失增加,冲量系数下降。     

大型固体发动机喷管的详细热分析

用二维轴对称有限元热模型对IUS固体发动机喷管进行了全范围的热模拟。该模型考虑了瞬时加热,内部热分解,挥发性和活性分解产物的放出,辐射边界的相互作用,二维两相流中的粒子辐射,以及空腔的瞬间充气。分析时考虑两种情况:(1)假定所有接合密封面部完好地发挥作用,但热解挥发物和一些固体扩散的气体仍会引起结构局部加热,(2)考虑某些密封面泄漏,引起喷管结构内局部加热的最坏情况。对发动机点火试验进行了广泛的仪器测试。得出实测热电偶响应,它可与包括在两种假设情况内的子结构气流加热模型預示范围相比较。这种温度响应大于不考虑气流加热时所算出的结果。     

固体火箭发动机喷管型面最佳化技术的研究

本文分析了喷管型面结构对固体推进剂火箭发动机性能和效率的影响。本研究使用三种分析方法,它们是:赫克力斯的Ⅰ_(SP)法(HIMET),固体性能程序(SPP)和普度大学 Jo-seph Hoffman 博士的直接寻求法。这些分析方法确定发动机中的流动和热损失,并以比冲(I_(SP))损失表示。在本分析中,分别考虑了扩散、摩擦、热、粒子滞后、侵蚀和化学不平衡等方面带来的损失。对采用抛物线、园弧线和特征线的喷管型面的发动机进行了性能比较。在固定喷管外轮廓(长和直径)不变的条件下研究了典型的低空和高空工作的发动机。这些计算结果对喷管型面设计有了有益的深入理解。本研究指出:第一,最佳起始扩散角随所采用的喷管型面和分析方法而变;第二,对于给定的喷管外轮廓,不论是抛物线型面、园弧线型面还是特征线型面,所获得的最大比冲基本上是相同的;第三,如果喷管型面不是最佳,就会出现明显的性能损失;第四,分析的Ⅰ(SP)预示方法能有效地用于固体推进剂火箭发动机的喷管型面设计;第五,可延伸出口锥能改进主喷管的性能。     

固体推进剂火箭发动机喷管形状最佳化

喷管形状结构对固体推进剂火箭发动机效率和性能会产生影响,这篇文章对这种影响提供了理论分析判断方法。这个理论方法利用比冲(Isp)确定发生在发动机中的流动和热损失。在分析中考虑了由于扩散、摩擦、热、粒子滞后,烧蚀和化学不平衡引起的损失。本文用抛物线、园弧和特征流线方法(MOC)构成喷管形状,对发动机性能进行比较。这些形状的差别是用最佳初始膨胀角和最佳折回角(初始角与出口角之差)来表示,在喷管形状参数(长度和直径)同定的情况下,研究了典型的低空和高空的发动机。这些计算的结果对喷管形状设计给出了有益的理解。研究指出: 第一:最佳初始膨胀角和最佳折回角随型面类型而变化。第二:对于抛物线型、园弧型和特征流线型的喷管,固定形状参数可以得到的最大比冲基本上是相同的。第三:如果喷管不是最佳形状,就出现明显的性能损失。第四:这个理论比冲预测方法能有效地运用到固体推进剂火箭发动机喷管形状设计中去。     

固体火箭发动机的喷管

一引言固体火箭发动机的喷管通过控制排气的膨胀使燃烧室产生的燃气能量有效地转换为动能,因而给飞行器提供推力。飞行器约65～75%的推力是将燃烧室产物在喷管喉部加速到声速所产生的,其余的推力是通过喷管扩散段产生的。通常喷管设计的目的是控制其膨胀程度使整个飞行器的航程和有效载荷在一定的外形、重量和成本的限度内达到最大。因此,喷管是飞行器的组成部分,不能独立于该系统使喷管最佳化。由于这种相互     

超音速分离线喷管内流场数值模拟

采用数值方法求解超音速分离线(SSSL)喷管内流场,研究了不同摆角对喷管流场分布的影响,对比分析超音速分离线与亚音速分离线喷管的轴向推力、径向推力及偏转放大因子随喷管摆角的变化规律,为超音速分离线喷管的设计研究提供理论参考。计算结果表明,摆动对超音速分离线喷管内流场影响显著,随着摆角的增大,内流场的非对称性和激波强度均增加;在相同摆管的轴向力分力略有减小,而径向分力则呈现增大的趋势;超音速分离线喷管与亚音速分离线喷管的径向分力比值,即偏转放大因子则随喷管摆角呈先增大、后减小的变化规律,本算例中的最佳放大因子1.36,对应的喷管摆角为2.5°;另外,随着摆角增大,超音速分离线喷管内流场Al2O3粒子分布的非对称特性也逐渐加强,活动体小端局部范围粒子浓度显著增大。     

上面级发动机推力室喷管延伸段气膜冷却研究

上面级发动机采用四氧化二氮/偏二甲肼为推进剂,将涡轮排气引入推力室喷管气膜冷却喷管延伸段.仿真计算和热试车表明：推力室主燃气与涡轮排气压力在同一截面处相等,涡轮排气沿喷管延伸段壁面流动形成紧贴喷管壁面的气膜,对主燃气无扰动,对喷管延伸段起到冷却保护作用.推力室喷管延伸段传热计算值和热试车延伸段温度测量值吻合,排气集合器内压力基本均匀,满足工程应用需要.     

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.     

固体火箭发动机含径向缺陷喷管数值仿真分析

火箭发动机喷管的工作环境极为恶劣,固体火箭发动机在热试状态下经常会出现因喷管喉衬加工过程中的工艺缺陷导致的开裂失效事故。针对某型固体火箭发动机试车后喷管喉衬断裂现象,基于真实裂纹形貌进行建模,并开展发动机典型工作时刻下的三维两相数值模拟,旨在获得喷管喉衬不同断裂间隙内流场温度、压强、热流密度与速度场分布及对比情况。研究结果表明：喷管喉衬断裂间隙中温度远高于喷管内流场中的温度,间隙较大处压强高于间隙较小处,燃气进入断裂间隙后速度迅速降低,且在间隙中形成多处回流,凝相粒子主要集中在中央流道,没有凝相粒子进入断裂间隙,靠近喷管壁面断裂根部热流密度最高。     

高空喷管在地面试验时火焰偏摆的分析

本文分析了高空大面积比喷管在地面试验时喷管内出现火焰偏摆的原因,叙述了喷管内气流不对称分离的机理。通过分析得出,由此产生的火焰偏摆在高空模拟试验或用截短喷管的地面试验中会自然消失。本文通过喷管流场计算,附面层分离计算和传热计算说明试车中出现的现象。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

粒子流量可调的喷管烧蚀试验方法

发展了一种保持燃气参数不变的情况下能实现粒子流量可调的喷管烧蚀试验方法,并研制了试验装置。该试验方法是将两相流燃气中的一部分粒子收集起来,以减少流经喷管的粒子流量,通过改变收集孔和收敛角的大小来调节粒子流量。采用该方法开展了变粒子流量的喷管烧蚀试验,试验结果验证了该方法是有效的,试验条件下喷管喉部平均线烧蚀率随粒子流量减小而降低。     

固体火箭发动机喷管扩张段粒子冲刷流场分析

某翼柱形药柱固体火箭发动机喷管扩张段出口部位在试验后出现了与药柱翼槽位置相对应的冲刷痕迹,为了研究Al2O3粒子对喷管扩张段的冲刷规律,对喷管型面改进提供依据,对比了不同湍流模型、颗粒轨道模型对形成冲刷痕迹的影响,分析了发动机喷管扩张段两相流场特征,确定了形成冲刷痕迹的粒径范围,判断了冲刷痕迹的形成时间,提出了喷管型面改进方案。结果表明,喷管扩张段的冲刷痕迹形成于发动机工作的15 s时刻之前,主要由药柱后翼燃烧产物中颗粒粒径分布为10~16μm区间的粒子造成,改进后的喷管型面可有效降低粒子对喷管扩张段的冲刷。     

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。     

低喷吹比条件下发汗冷却对喷管传热和性能的影响

本文分析了发汗冷却对喷管中边界层变化、传热和性能的影响。试验采用了马赫数为2的型面喷管(Re/m=5.2×10~7),喷管采用不锈钢烧结材料(孔径为2.0μm)。试验中最大喷吹比为自由流流量的0.51%,压力和热通量测量响应很快。测量了壁面热通量和静压分布,以及喷管出口处的皮托压力型面。为了更直观地看到流动情况,还采用了阴影照相。最高喷吹比时传热减少14%,发现喷管出口边界层厚度显著增加,但喷吹对推力系数或比冲的影响很小。本文研究对发动机喷管采用发汗冷却优、缺点的认识具有一定价值。     

主喷管倾角影响塞式喷管性能的实验研究

为分析主喷管角度对塞式喷管性能的影响,对两种塞式喷管实验发动机进行了热试和冷流试验。试验结果表明,主喷管倾角对发动机喷管效率、底部压强与燃烧室压强之比的影响明显,且存在一个性能最优的最佳倾角。热试和冷流实验发动机主喷管倾角为20°时,喷管效率最高。     

固体发动机喷管延伸锥展开前级间分离的热环境分析

通过FLUENT流场计算软件,采用RNGK k-ε湍流模型,针对带有延伸喷管的多级固体发动机级间热分离的热环境进行了数值分析。研究表明,延伸喷管尾流受到连接筒、前封头、延伸段的阻碍后,其流动特征变化显著,尤其在一级前封头的影响下形成回流,并在喷管内形成激波。计算得到的热环境参数,对发动机的热防护设计具有一定的参考价值。     

双级延伸喷管高空展开过程动力学耦合仿真研究

带有延伸喷管的固体火箭发动机一般采用热分离方式进行级间分离,要求延伸喷管按照先点火、后展开的时序进行工作。因此,延伸喷管的展开过程实质上为一个燃气流动与延伸锥运动相互耦合影响的过程。为了详细分析和评估在燃气流场和延伸喷管展开相互耦合影响下尾流的变化和延伸锥的展开情况,根据Fluent软件中的用户自定义函数(UDF)功能提出了一种耦合仿真方法,并据此对某型双级延伸喷管的展开过程进行了耦合仿真研究,得到了在延伸喷管展开过程中尾流的变化以及延伸锥的运动和气动力等参数随时间的变化情况。计算结果表明,在延伸喷管展开过程中,延伸锥及其展开机构所在的空腔内的温度出现短时剧烈波动,需对其进行一定的热防护;在高空工况下,流场气动力对延伸锥的展开主要为阻碍作用且影响较大,当气瓶初始压强低于1.0 MPa时,延伸锥可能出现无法展开的情况;耦合仿真结果可反映出发动机工作时延伸锥的实际展开情况,可对延伸喷管能源系统输入参数等设计提供指导。     

《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)……………