固体火箭发动机冷气冲击过程数值仿真

摘要

本文以固体火箭发动机冷气冲击过程为对象，建立了二维、三维流场模型以及结构场模型，进行了冷气冲击过程的流固耦合数值仿真，主要工作包括:
　　 (1)建立了SRM冷气冲击系统模型，分析了冷流冲击机理，推导出了冷流冲击过程中激波的传播规律。根据固体火箭发动机推进剂药柱的粘弹性特性，得到了药柱线性粘弹性本构方程。介绍了流固耦合数值计算中的数据交换方法，对于SRM冷气冲击过程中由于药柱变形而引起的流场计算域的改变，采用了动网格技术来改变流场网格结构。明确了流固耦合数值计算方法。
　　 (2)对SRM冷气冲击过程进行数值仿真，分别建立了一维、二维、三维流场模型，得到了冷气冲击过程中激波的传播规律以及流场特性分布，结果表明三种方法得到的激波特性大致相同。通过数值计算得到的原始激波和反射激波特性与理论解相吻合。发现了激波传播过程中存在声学震荡现象。对比了二维和三维流场计算结果，发现二维流场计算结果的震荡现象更加明显。
　　 (3)把推进剂药柱视为粘弹性材料，基于有限元法对推进剂药柱进行结构动力学分析，使用有限元商业软件对药柱进行结构分析，得到药柱的应力应变分布，找到容易发生失效的位置。
　　 (4)对SRM冷气冲击过程进行双向流固耦合计算。流场计算得到的压力传递给结构场，结构场得到的位移传递给流场，采用动网格技术来改变流场计算域，得到冲击下的药柱的力学响应。找到了药柱最大变形、应力和应变位置。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究状况

1．2．1 SRM瞬态流场增压过程数值模拟研究现状

1．2．2 SRM增压过程中药柱结构性能研究

1．2．3 流固耦合研究现状

1．2．4 固体火箭发动机点火过程流固耦合现象实验研究现状

1．3 本文主要研究的内容

2 固体火箭发动机冷流冲击理论基础和模拟方法

2．1 冷流冲击原理

2．1．1 激波现象

2．1．2 一维激波管

2．2 固体推进剂粘弹性理论

2．2．1 粘弹性材料的力学模型

2．2．2 ANSYS中的粘弹性模型

2．3 流固耦合方法研究

2．4 流场计算域的网格改变

3 一维激波管流动的数值解

3．1 简介

3．2 计算模型

3．3 一维守恒型欧拉方程

3．4 有限差分方法

3．5 计算时间步长

3．6 边界条件

3．7 初始条件

3．8 计算结果

3．9 本章小结

4 固体火箭发动机冷流冲击过程流场数值仿真分析

4．1 固体火箭发动机冷流冲击二维轴对称流场仿真分析

4．1．1 Fluent简介

4．1．2 物理模型

4．1．3 网格划分

4．1．4 二维流场数学模型

4．1．5 设置流场工作介质

4．1．6 边界条件

4．1．7 用户自定义函数

4．1．8 定义求解控制参数

4．1．9 计算结果分析

4．2 固体火箭发动机冷流冲击三维流场仿真分析

4．2．1 流场三维模型的控制方程

4．2．2 三维物理计算模型

4．2．3 边界条件的设置

4．2．4 计算结果分析

4．4 本章小结

5 结构场分析

5．1 简介

5．2 SRM受到冷气冲击时所受的载荷

5．3 失效原理

5．4 推进剂应力应变分析

5．4．1 药柱网格划分

5．4．2 推进剂材料参数

5．4．3 结构场边界条件和载荷

5．4．4 结果分析

5．5 本章小节

6 SRM冷流冲击升压过程流固耦合现象分析

6．1 包含网格移动的三维流场控制方程

6．2 数值计算模型

6．3 初始条件和边界条件

6．4 结果分析

6．5 本章小结

7．结论与展望

7．1 主要工作与结论

7．2 展望

致谢

参考文献

附录