基于旋转阀的固体火箭发动机燃烧室压强振荡特性

针对基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应函数测试系统存在不易进行相位角测量、压强振荡及内流场分析的难点,设计一套旋转阀冷流实验系统,建立对应的压强振荡理论计算模型和三维瞬态内流场仿真模型,研究燃烧室压强振荡及其内流场特性.开展不同排气频率的冷流实验和理论计算,并与仿真模型进行对比.结果表明:仿真计算中单个转子排气通道周期...     

基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应测试方法

针对固体发动机燃烧不稳定问题,提出一种基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应测试方法,并对应设计了一套可开展冷气和推进剂点火实验的旋转阀实验系统.通过23 Hz、46 Hz、69 Hz 3种不同振荡频率的冷气实验及理论计算,发现两种结果对比误差最大值为4.35％,验证了圆光栅定位组件测试旋转阀次级排气通道面积和压强延迟时间...     

AP多粒度级配固体推进剂非稳态燃烧响应模型

为获得高氯酸铵(AP)粒度级配对固体推进剂燃烧响应特性的影响,以氧化剂单粒度的多火焰稳态燃烧模型(BDP)为基础,考虑实际推进剂中AP多级配粒度分布,建立了AP多粒度级配的AP/端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂非稳态燃烧响应模型,并对模型进行校验。针对由四种AP粒度330,250,110μm和50μm组合成的几十种AP多级配复合推进剂,分别在工作压强10MPa、振荡频率25~1000Hz条件下开展了燃烧响应特性研究,分析了AP粒度级配和配比等参数变化对压强耦合响应函数的影响规律。模型计算结果表明,100~1000Hz,燃烧响应模型计算结果与文献实验测量结果吻合较好(实验压强>5MPa),误差小于9%。AP粒度配比与级配对燃烧响应函数的分布影响较大,影响规律基本满足:AP多级配中提高小粒度AP的配比含量或者降低大粒度AP配比含量可以抑制中低频振荡,但同时会增益中高频振荡。用中粒度AP替代小粒度AP可以抑制中高频振荡,反之,替代大粒度AP则可以抑制中低频振荡。     

流固耦合数值模拟方法及其在分段式SRM的应用

固体火箭发动机工作过程由于结构变形与内流场之间的流固耦合作用可能造成发动机内流场压强振荡,导致载荷的动态受力甚至可能毁坏载荷。从耦合算法、界面数据传递、动网格算法三个方面介绍了流固耦合数值计算方法,总结了流固耦合在分段式固体火箭发动机工作过程压强振荡方面的研究及应用进展。指出基于分离解法,结合流场大涡模拟模型,能较好的求解固体发动机内因流固耦合因素导致的压强振荡问题。     

脉冲发动机中软质隔层工作过程研究

为了研究双脉冲发动机中软质隔层的工作过程,建立了隔层的结构仿真模型,数值模拟了隔层的承压及打开过程,得到其应力应变场分布。当隔层承受来自I脉冲10 MPa内压作用时,隔层及药柱的最大主应力及应变都在安全范围内,从而证明了该结构承压可靠性;利用扩展有限元XFEM技术模拟了隔层的破坏过程,隔层在II脉冲1.3 MPa内压下打开,且打开形式可靠。对比试验结果一致性较好,说明隔层各项指标满足设计要求,可以应用于实际的脉冲发动机之中。之后,建立了隔层式双脉冲发动机的内流场仿真模型,分不同时刻模拟了双脉冲发动机的内流场特点:随隔层开口尺寸增加,开口处气相射流速度减小,回流强度减弱且中心位置向隔舱移动,I脉冲燃烧室内湍流强度急剧减小,粒子轨迹与内壁撞击位置后移。文中的仿真分析方法可以用来对双脉冲发动机进行预先仿真研究,从而对设计方案提供一定的参考意义。     

发动机引流推力矢量方案的内流场分析

对从发动机引流外喷进行推力矢量控制的方案进行了内流场计算与分析,比较了不同管径和引流管道喉部面积对引流效果的影响,结果表明：发动机引流对于发动机内流场的参数影响不大,燃烧室压力和温度变化不明显;引流管道的喉部面积占总喉部面积的百分比是影响喷流效果的主要参数;引流流量占总流量的比例略小于引流通道喉部面积所占比例;引流形成的侧向推力所占比例与引流流量所占比例相当,均略小于引流通道喉部面积所占比例;引流造成主动量推力下降幅度明显。     

固体火箭发动机裂纹流场的数值模拟

固体推进剂表面裂纹在对流燃烧的作用下可能会引起裂纹扩展,即使裂纹不扩展,它也增加燃烧表面积,影响发动机燃烧室流场分布,因此,确定裂纹内的压强变化情况及裂纹内火焰传播情况,无论对于裂纹扩展的研究还是对于发动机整个燃烧室内流场的研究都具有重要的意义.采用NND差分格式,对含裂缝推进剂裂纹内的燃气压强随外界条件的变化情况和裂纹内部火焰传播情况进行了仿真计算,得到了不同增压梯度,不同裂纹尺寸情况下,固体火箭发动机裂纹内流场的分布情况,并分析总结出不同因素对裂纹流场的影响规律.     

阶梯装药火箭发动机点火升压瞬态波动特性

在火箭发动机点火升压瞬态过程中,内流场的压强和温度波动特性在很大程度上影响着推进剂装药燃烧的安全与稳定。针对阶梯装药火箭发动机的特殊装药结构形式,对其在点火升压瞬态过程中的压强和温度波动特性进行研究,通过设置不同的观测点,对前后燃烧室内外通道不同位置出现的波动特性进行对比分析,并且得到在点火升压过程中各点的压强和温度分布及变化情况,为阶梯装药发动机的装药抗热冲击性设计与分析提供参考。     

轴对称型面喷管推力计算方法

为分析喷管内流场的变化,使用 1 维计算模型和基于 FLUENT 的 2 维计算模型对轴对称型面喷管的推力 进行计算,分析 2 种计算结果的差异。利用正交设计法,研究喷管的燃烧室压强、扩张角、扩张比、扩张段长度以 及燃气射流的黏度对喷管推力计算的影响。结果表明：推力差异与燃烧室压强近似线性关系;推力差异随着燃气黏 度的增加而增大;当初始扩张角越大、出口扩张角越小时,推力差异越小;推力差异随着扩张比、扩张段长度与喉 部半径比的增加先减小后增加;在低压、低黏度的情况下,1 维计算方法可用于喷管推力的计算,否则,2 维计算方 法更适合。     

阻尼环对固体火箭发动机热声振荡的影响

为了有效解决推进系统中热声压力振荡的危害问题,对热声压力振荡的抑制特性进行系统研究.基于固体火箭发动机设计一种平面火焰圆柱形燃烧室实验装置,根据此实验系统,开展阻尼环及其安装位置对热声压力振荡抑制影响的实验,并通过理论计算对实验规律进行了验证.结果显示:无阻尼环时燃烧室内激发出频率为115 Hz,振幅为119 dB的1...     

气体与液体两相连续旋转爆轰发动机爆轰波传播特性三维数值模拟研究

为了研究气体与液体两相连续旋转爆轰波的传播特性,基于三维守恒元和求解元方法,在圆柱坐标系下采用带化学反应的气体与液体两相爆轰模型,对连续旋转爆轰发动机进行三维数值模拟。通过计算获得了爆轰波起爆及其稳定传播时的流场结构,分析了流场在燃烧室径向方向的变化以及发动机的推力性能,揭示了两相爆轰波的传播特性。研究结果表明：燃烧室内流场结构与文献\[4\]中的实验研究结果定性一致;由于环形燃烧室外壁面的收敛和内壁面的发散,爆轰强度沿着燃烧室的径向方向逐渐增强,实现了爆轰波的自持旋转传播;以汽油为燃料、富氧空气为氧化剂,在填充总压为0.2 MPa、总温为288.15 K、燃料液滴半径为25 μm的条件下,连续旋转爆轰发动机所获得的平均推力约为880 N,爆轰波的传播频率约为4 390 Hz.     

柔性喷管SRM三维两相内流场数值模拟

针对柔性喷管固体火箭发动机的复杂多相流数值计算问题,基于Euler-Lagrange方法,应用k-ωSST湍流模型和颗粒轨道模型,建立了气固两相三维内流场计算模型。分析了发动机内部压强和温度场、燃气和粒子速度场、固相粒子沉积浓度和颗粒运动轨迹;重点分析了喷管无摆动和摆动5°状态下的发动机内流场变化特性。研究表明:2种工况下的燃烧室平均压强、温度场及喷管出口速度变化幅度较小,但对喷管柔性连接缝内的流场速度影响较大,固相粒子最大沉积率产生于发动机后封头的绝热层内壁;喷管无摆动时,柔性连接缝内的粒子沉积率较低,随着喷管摆动幅度增加,粒子沉积浓度大幅度升高。     

斜切喷管工作过程结构变形数值分析

文中分析了某火箭发动机钼合金斜切喷管工作过程中的变形，首先通过对喷管内流场的数值仿真计算．确定喷管内型面承受的温度和压力载荷。然后基于三维有限元模型，对温度和压强耦合作用下的喷管应力场和形变进行了分析。对计算结果与试验测量值进行了对比，较为接近．证明结论可信。     

固体火箭发动机点火瞬态内流场计算模型分析

应用FLUENT流体计算软件,采用UDF接口编程进行二次开发,用侧壁加质的方法模拟燃烧室加质,对带有翼槽的固体火箭发动机内流场进行了数值模拟,比较了不同计算模型下的仿真结果。计算结果表明,考虑了翼槽结构对点火瞬态过程的火焰传播速度影响的计算模型更加符合实测值。     

碎裂盖鱼雷发射箱内导流隔板导流效果仿真

利用计算流体力学的仿真软件FLUENT对鱼雷发射箱在使用扇形孔导流隔板和无导流隔板两个工况下的内流场变化情况进行仿真计算,通过仿真计算分析导流隔板对发射箱内流场的影响。仿真和优化结果表明,与无导流隔板工况相比,此导流隔板能使后盖受到更加均匀的压强作用,且后盖可正常碎裂,但前盖受压效果不理想,需要进一步改善;优化后该方案能够使前后盖按设计目标破碎。     

带侵蚀燃烧效应的阶梯多根装药火箭发动机三维内流场特性

为研究阶梯多根装药火箭发动机的内流场特性,采用Fluent计算软件对侵蚀比和平均侵蚀比两种内流场模型分别进行全三维数值模拟.基于自定义函数接口编程进行二次开发,提取侵蚀比模型每个节点的坐标和压强以及平均侵蚀比模型每个燃面的平均压强,导入燃速公式和质量流率公式,来控制边界网格的移动速度和单位面积燃气进口质量流率.通过数值...     

考虑堵片影响的筒式武器后喷流场研究

为了研究筒式武器后喷堵片参数对后喷流场的影响,利用Ansys Fluent流体计算软件,基于6 DOF动网格技术和铺层网格更新方法,建立了筒式武器后喷流场二维轴对称数值仿真模型,并进行仿真计算。以某型筒式武器为研究对象,研究了筒式武器在不同堵片质量、不同破膜压力条件下发射时后喷流场规律。研究表明:堵片在后喷流场中的运动可分为3个阶段:加速运动阶段、稳定运动阶段和减速运动阶段;筒式武器在堵片质量为30.5 g、破膜压力为10 MPa条件下发射,堵片速度最高可达670 m/s左右;随着堵片质量增加,堵片速度明显减少,近场压强第1个峰值有减小趋势,第2个峰值有明显增大趋势;随着堵片破膜压力增加,第1个压强峰值变化较小,第2个压强峰值明显增大,堵片速度呈上升趋势。     

水下固体火箭发动机推力特性研究

为研究水下固体火箭发动机的推力特性,采用CFD方法分析高速燃气射流与周围水环境之间的相互作用机理及多相流流场结构对发动机推力的影响,并对不同水深、不同燃烧室压强以及不同喷管扩张比情况下的推力变化规律进行讨论.研究发现:水下火箭发动机推力振荡剧烈,间歇性的推力脉冲是由气体射流的颈缩/断裂现象引起的;喷管设计出口压强与环境压强之比是判断推力振荡特性的重要参数,该压强比增大时,振荡频率减小、振荡幅值升高.     

基于亚历山大效应测量固体火箭发动机燃气温度

介绍了亚历山大效应测温原理,通过数值仿真研究了发动机尺寸与热损失对燃烧室轴心温度的影响,组建了基于亚历山大效应的火箭发动机燃气温度测量系统。测量了铝含量为1%,9%,17%的复合推进剂在0.1 MPa下燃气温度、发动机工作压强为5 MPa时燃烧室内燃气温度和喷管出口处燃气温度。结果表明:发动机直径与热损失对燃烧室轴心温度的影响可忽略;基于亚历山大效应测温法在室压下测得燃气温度分别为2857,3109,3284 K,理论计算燃气温度分别为2712,2891,3049 K,即随着铝含量的增加,实测燃气温度和理论燃气温度都增加;测得发动机喷管出口燃气温度为2200 K,与理论计算的2278 K较吻合;透明玻璃窗在发动机工作过程中受到燃气污染,导致测得的燃烧室气体温度分别为2300 K和2450 K,低于理论计算的3190 K和3450 K,必须进一步改进高温测量系统,使之能精确测量火箭发动机燃气温度。     

基于火炮膛内气固两相流的热散失模型数值仿真

火炮发射过程中的热散失会影响内弹道性能。在数值仿真时由于直接计算热散失较为困难,通常采用对火药力或者燃气的绝热指数进行修正的方法,但该方法无法准确预测内弹道的性能。为此该文提出了一种基于气固两相流模型的热散失计算方法,从高温燃气与身管内壁的热交换出发,建立热散失模型,并将热散失模型与火炮膛内气固两相流模型耦合,热散失量将在气相能量守恒方程中的源项中考虑。以某155 mm火炮为研究对象,采用MacCormack差分格式求解修正后的气固两相流模型,获得膛内流场变化情况。求解得到的流场参量作为热散失模型和身管传热模型的输入参数,计算出内弹道过程中总热散失量以及身管径向温度分布规律。对给出的2种测试工况进行仿真计算,计算结果与实验结果的比较表明,考虑热散失时各指标误差明显减小,最大压力误差小于1.0%,初速误差小于0.5%。总热散失占火药燃烧后产生总能量的2%～4%。证明了该方法的可行性和优越性,有助于提高内弹道仿真的精度。