火箭发动机高压气路系统流热耦合仿真研究

摘要

在液体火箭发动机的气控系统或气路吹除置换系统中的自动器中，经常用到适用于常温环境的非金属材料制品，起到防止外漏、提供阻尼或隔离介质等功能。非金属制品的性能稳定性对于自动器性能、系统功能乃至发动机工作状态有着极大的影响，而非金属制品的性能稳定性又往往受外界因素影响较大，比如温度、受力状态、介质种类以及储存时间等。本文以国家某重点型号液体火箭发动机的研制为背景，以其中高压气路分系统为研究对象，根据数字化建模理论和流热耦合仿真思想，利用Gambit软件对该研究对象进行了三维简化建模，使用Fluent分析软件对其进行流热耦合仿真分析，即将流场和热分别进行求解，在流体区域和固体区域的共同边界进行耦合迭代，以获得与非金属直接接触固壁温的分布情况，从而对气路系统中非金属件的工作状态进行有效评估。在整个仿真分析过程中，抓住了系统建模的重点，即减压器运动阀芯的动网格建模及参数更新设置，因为减压器的出口压力稳定作用对整个系统的流热耦合仿真计算收敛性起到很重要的作用。主要研究内容为：
　　a)研究了高压气路系统建模方法，通过熟悉其内部组成组件的结构，分清组件内部零部件对研究结果精度影响的主次，对各组件进行适当、有效、可行的结构简化，按简化结构进行有限元建模。
　　b)研究了减压器内部阀芯结构的动网格区域建立、动网格区域的网格划分以及边界条件和连续区域的设置，单独进行了减压器内部流热耦合仿真计算，对比计算结果知动网格移动面实际移动距离同理论拟合值基本吻合，且计算得到的出口压力值十分稳定，温度分布也符合预期，验证了减压器动网格建模和流热耦合计算方法的正确性。
　　c)利用流热耦合仿真分析方法研究了在发动机高压气路系统全剖面工作流程中各自动器内部固体结构的温度场、压力场和速度场分布，获得了非金属接触固壁温的变化趋势和非金属工作温度极限值。认为高压气路系统介质温度变化和固体传热对非金属件正常使用无影响。
　　d)搭建了真实的高压气路系统进行试验研究，研究结果表明通过流热耦合仿真分析方法得到的自动器内部非金属接触固壁温的变化趋势与真实试验结果一致，变化绝对值的偏差较小，计算精度较高，可在发动机分系统中推广应用。

目录

第1章 绪论

1.1 本文研究背景

1.2 国内外相关研究现状

1.3 研究意义和研究内容

第2章 系统建模及减压器动网格模型

2.1 相关基础理论

2.2 系统建模

2.3 减压器动网格更新和参数设置

2.4 Fluent中动网格的相关设置

2.5 本章小结

第3章 流热耦合仿真计算

3.1 减压器非稳态流热耦合计算

3.2 高压气路系统流热耦合计算

3.3 本章小结

第4章 高压气路系统验证试验

4.1 试验系统简介

4.2 试验流程

4.3试验数据分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢

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