高速旋转固体火箭发动机内流场数值模拟

摘要

为计算高速旋转固体火箭发动机内流场特性，首先，采用RNGk-ε湍流模型，对某端面和内孔同时燃烧管状装药固体火箭发动机燃烧室-喷管统一内流场进行了三维内流场数值计算。采用用户自定义函数UDF编程给出了质量入口边界。计算结果表明，高速旋转固体火箭发动机内流场切向速度分布较复杂，在燃烧室前封头呈现出了准Rankie组合涡分布，在喷管内呈现明显的准强迫涡特性。燃气切向速度于燃烧室和喷管喉部分别达到峰值。燃烧室前封头处燃气轴向速度变化剧烈，出现了两个峰值，并在近轴线处出现了轴向速度的负值。
　　其次建立二维非定常喷管壁面流固热耦合模型，计算喷管受热状态、热流密度等参数。计算结果表明，随着发动机工作时间的延续，高温燃气对喷管内壁面热交换的总热流密度逐渐降低，发动机喷管喉部前端位置总热流密度最大，换热最为强烈。
　　高速旋转对发动机喷管与燃烧室的壁面传热影响的趋势是随着旋转过载的增大而增大。发动机燃气切向速度显著增加，单位时间内流过壁面的燃气分子数增多，使对流换热系数增大，导致对流换热加剧。在燃烧室及喷管区域，均产生了燃气涡旋，燃气所具有的部分动能在涡旋中逐渐耗散转变为热能，壁面的传热加强。
　　高速旋转对前封头与喷喉结构强度与热防护带来严重影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 固体火箭发动机的应用及发展

1．1．2 固体火箭发动机在火箭增程方面的应用与发展

1．1．3 高速旋转对固体火箭发动机性能的影响和研究意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 国外研究概况

1．2．2 国内研究概况

1．3 本课题的研究主要内容

2 固体火箭发动机内流场数值模拟理论基础

2．1 引言

2．2 基本方程

2．3 湍流模型

2．3．1 标准k-ε模型

2．3．2 RSM湍流模型

2．3．3 RNG k-ε湍流数学模型

2．4 近壁区处理

2．5 本章小结

3 高速旋转固体火箭发动机内流场计算

3．1 引言

3．2 物理模型及网格划分

3．2．1 物理模型

3．2．2 网格划分

3．3 初始条件与边界条件

3．4 发动机内流场三维数值计算

3．4．1 转速为0rpm时内流场计算

3．4．2 转速为10000rpm时内流场计算

3．4．3 转速为20000rpm时内流场计算

3．4．4 转速为30000rpm时内流场计算

3．5 高速旋转对发动机内流场参数影响

3．5．1 高速旋转对发动机推力、压强的影响

3．5．2 高速旋转对发动机马赫数的影响

3．5．3 高速旋转对发动机温度场的影响

3．5．4 高速旋转对发动机轴向速度的影响

3．5．5 高速旋转对发动机切向速度的影响

3．6 高速旋转对固体火箭发动机装药燃速的影响

3．7 小结

4 高速旋转固体火箭发动机喷管受热状态计算

4．1 引言

4．2 喷管喉部换热数值模型

4．2．1 控制方程

4．2．2 湍流模型

4．2．3 近壁区的处理

4．2．4 辐射模型

4．2．5 数值离散方法

4．3 物理模型及网格划分

4．3．1 物理模型

4．3．2 网格划分

4．4 初始条件与边界条件

4．5 发动机喷管受热状态数值计算

4．5．1 转速为0rpm时喷管受热状态计算

4．5．2 转速为4000rpm时喷管受热状态计算

4．5．3 转速为8000rpm时喷管受热状态计算

4．6 旋转对发动机受热状态的影响

5 结论与展望

5．1 主要工作与结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录