基于燃面耦合传热的固液发动机工作过程仿真

摘要

固液火箭发动机具有成本低、安全性好、推力可控等优点，是化学推进领域的一个重要类别。固液火箭发动机的燃烧受到传热、流动、结构等多种因素影响，使其性能预示非常困难，也制约了这种发动机的应用。本文从仿真的角度出发，建立了基于燃面耦合传热的数值模拟方法，得到了固液发动机工作过程仿真的有效途径。
　　本文以某固液发动机作为研究对象，基于发动机性能计算的化学平衡方法，建立了固液发动机内弹道计算模型，并通过该模型计算了实验发动机的内弹道，得到了发动机燃面退移速率、室压、推力、比冲等参数的变化规律。
　　针对固液混合火箭发动机燃烧室内的流动和燃烧，详细分析了固体燃料扩散燃烧的原理，建立了基于流场与固体燃料之间耦合传热模型、湍流模型及PDF燃烧模型的综合计算模型。开展了计算模型的验证，计算结果与实验结果符合较好。应用该模型计算了二维固液实验发动机燃烧室及三维的固液燃烧室，得到了较为详细的燃烧室内流场以及固体燃料的退移速率。
　　针对内孔燃烧的实验发动机，应用本文建立的计算模型，分别计算了发动机内弹道和内流场，得到了较为一致的总体性能参数。初步研究了补燃室结构、喉径等参数对发动机性能的影响。
　　研究表明，本文所建立的固液发动机内弹道计算方法和基于燃面耦合传热的数值模拟方法可以较好地模拟混合发动机工作过程，为进一步开展混合发动机的工程研究奠定基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 固液发动机的应用

1．2．2 燃烧室内流场数值仿真

1．2．3 燃料退移速率的模拟表述

1．3 本文的主要研究内容

2 固液发动机理论性能及内弹道分析

2．1 化学平衡计算模型

2．1．1 状态方程

2．1．2 最小Gibbs自由能

2．1．3 Gibbs迭代方程

2．1．4 热力学偏导数

2．1．5 温度偏导数

2．1．6 压强的偏导数

2．1．7 平衡组分的求解

2．2 发动机性能参数的计算

2．2．1 性能参数计算的假设

2．2．2 性能参数计算

2．2．3 化学平衡假设下性能参数计算过程

2．3 性能计算估计

2．4 内弹道计算

2．4．1 燃面退移速率公式

2．4．2 室压和推力

2．5 本章小结

3 固液发动机数值仿真分析

3．1 固液发动机的工作原理

3．2 数值仿真方法

3．2．1 物理模型

3．2．2 控制方程

3．2．3 湍流模型

3．2．4 计算方法

3．2．5 燃烧模型

3．2．6 边界条件

3．2．7 固体燃料表面

3．3 模型的算例验证

3．3．1 算例1

3．3．2 算例2

3．4 二维发动机仿真

3．4．1 几何模型

3．4．2 网格生成

3．4．3 边界条件的确定

3．4．4 指定退移速率、k-w模型的计算结果

3．4．5 UDF耦合壁面传热、k-w湍流模型、有限速率反应燃烧模型

3．4．6 UDF耦合壁面传热、k-w湍流模型、PDF模型

3．5 计算模型的对比分析

3．5．1 燃烧模型对比

3．5．2 指定退移速率与UDF燃面耦合传热的对比

3．6 发动机三维数值模拟

3．6．1 初始时刻的流场

3．6．2 肉厚燃烧15mm后的流场

3．7 本章小结

4 基于数值模拟的内弹道计算和结构设计

4．1 内弹道计算与数值仿真模拟参数分析

4．1．1 内弹道程序计算

4．1．2 内弹道数值仿真模拟

4．1．3 参数分析

4．2 结构对内弹道参数影响

4．2．1 喉部直径

4．2．2 补燃室长度

4．3 本章小结

5 结论

5．1 本文的主要成果

5．2 本文的主要特色及创新点

5．3 进一步的工作和建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢