炮射固冲发动机绝热层传热烧蚀仿真与试验研究

摘要

随着科学技术的发展和新型高能推进剂的采用，固冲发动机的热防护问题越来越突出。本文针对不同绝热层构型条件下绝热层的动态烧蚀过程进行了研究，增进对不同条件下绝热层烧蚀规律的理解，并从试验和理论两方面对绝热层的传热烧蚀机理进行了研究。本论文的主要内容如下： （1）基于标准κ-ε湍流模型、简单化学反应机制和辐射换热模型，针对不同构型的补燃室内燃烧及流动进行了三维数值模拟。结果表明；补燃室内燃烧场存在头部回流和轴向涡流，回流和涡流的强度与补燃室的构型有关；轴向构型越靠近化学反应区，燃烧场的温度变化越明显；在轴向不变的情况下，随着周向角度的增加，构型对燃烧场的影响先增加后减小。 （2）在给定边界条件下，对补燃室绝热层烧蚀过程进行了数值计算，得到绝热层内部的温度场和应力场，并将计算当前时刻的温度大小作为绝热层脱落的依据。通过计算成功的模拟了凹坑的形成和变化过程，其规律与试验结果较为一致。 （3）利用冲压发动机烧蚀试验系统开展了不同构型绝热层的烧蚀试验研究，发现烧蚀区域凹坑的形状与时间有关。随着时间的增加，绝热层烧蚀区域在扩大，烧蚀率在增加。同时，对烧蚀后的试件进行电镜扫描，能够清楚的区分碳化层、热解层、基体层。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2固冲发动机绝热层传热烧蚀研究现状

1.2.1试验研究

1.2.2理论模型研究

1.3 CFX及ANSYS概述

1.3.1 CFX简介

1.3.2 ANSYS软件热分析简介

1.3.3生死单元技术介绍

1.4本文研究内容

2固冲发动机补燃室燃烧场和绝热层传热烧蚀的数值模拟方法研究

2.1引言

2.2固冲发动机补燃室燃烧场数值模拟方法研究

2.2.1燃烧场简化假设

2.2.2流体控制方程组

2.2.3湍流燃烧模型

2.2.4初始及边界条件

2.3绝热层传热烧蚀机理及数值模拟方法研究

2.3.1绝热层传热烧蚀机理研究

2.3.2绝热层传热烧蚀模型

2.3.3绝热层传热烧蚀数学模型研究

2.3.4热辐射传输模型

2.3.5边界条件简化

2.3.6传热烧蚀的物理过程及分析方法

2.4.本章小结

3固冲发动机补燃室燃烧场数值模拟

3.1引言

3.2不同构型对燃烧场的影响研究

3.2.1物理模型建立及网格划分

3.2.2轴向位置对燃烧场的影响研究

3.2.3周向位置对燃烧场的影响研究

3.2.4绝热层构型对燃烧场的影响研究

3.3总换热系数的计算

3.3.1辐射换热系数的计算

3.3.2对流换热系数的计算

3.4本章小节

4固冲发动机绝热层传热烧蚀过程数值模拟

4.1引言

4.2绝热层构型对传热烧蚀的影响研究

4.2.1轴向位置对绝热层传热烧蚀影响研究

4.2.2周向位置对绝热层传热烧蚀的影响研究

4.2.3绝热层构型对绝热层烧蚀的影响研究

4.3非稳态情况下的绝热层传热烧蚀研究

4.4本章小结

5固冲发动机绝热层传热烧蚀试验研究

5.1引言

5.2固冲发动机试验系统

5.3绝热层热分析及传热烧蚀试验

5.3.1热重分析试验

5.3.2富氧条件绝热层烧蚀试验

5.4结果对比分析

6总结与展望

6.1主要结论

6.2展望

致 谢

参考文献