固液火箭发动机二维实验燃烧器的气固耦合计算

摘要

固液火箭发动机中氧化剂和燃料之间的燃烧是一种典型的扩散燃烧过程,固体燃料的热解受化学动力控制,燃料表面的热解温度决定了燃料的退移速率。目前,通过实验找到退移速率和表面温度的关系,模拟固体燃料表面的退移是最接近实际的。针对固液火箭发动机中复杂的燃烧、传热过程,在FLUENT软件的平台上,采用气固耦合传热计算的方法模拟了一个85﹪H202-HTPB二维实验燃烧器中的温度、组分分布。并且根据K. K. Kuo在快速升温、大热流下热板实验中得出的HTPB燃料热解退移速率与燃料表面温度的关系,采用动网格方法模拟了固体燃面的不规则热解退移。稳态流场计算的结果显示:在氧化剂入口处,固体燃面上的温度最高,之后迅速下降,主要是因为燃烧火焰逐渐远离燃料表面,使得反馈到燃面上的热量减少。但在距入口50mm之后,燃面上的温度又及逐渐缓慢回升,在二维矩形通道末端,燃面温度回升的速度较为迅速。由气体底层温度梯度,和当地的气体导热系数,根据对流换热热流等于燃面粘性底层的导热热流,计算出燃气对固体燃料的对流换热系数,其趋势如燃面温度一样,先快速降低,而后在充分发展区缓慢上升。燃面动态退移也证实了燃面在氧化剂入口处形成了退移较快的凹坑,在远离入口区域,燃面的沿流动方向向下缓慢偏斜。退移速率变化符合稳态流场中对流流换热系数的分布。验证了扩散火焰距燃面的距离和燃面上方主流流速是影响退移速率的主要因素。本方法可以较好地模拟固液火箭发动机中复杂的非定常传热和燃面退移过程,可以较准确地预示固液发动机的内弹道性能。