潜入式喷管燃气二次喷射推力矢量控制流场计算

摘要

我国火箭发动机装药量呈现显著上升趋势，减小飞行阻力和自身重量以及提高机动能力和安全性能成为我国进一步提升火箭发动机性能的技术难题。二次燃气喷射推力矢量控制是一种较为理想的技术方案，在潜入式大尺寸喷管的基础上使用燃气二次喷射，可以获得较小的推力损失和较大的侧向控制力。本文针对潜入式喷管使用燃气二次喷射情况，研究了喷射参数的影响特性、阀动开启的流场建立过程、两相流的流场问题，主要内容如下：
　　（1）通过国内外对二次喷射推力矢量控制的实验和数值研究现状，确定了本文的主要研究内容。国外相关研究起步较早，有相当程度的基础研究累积，正在向实用化研究过渡；国内跟踪国外研究较早，但获得实质性研究成果较晚，在系统分析喷射参数影响特性方面鲜有工作，本文定位于此，基于大尺寸潜入式喷管直连管二次喷射，从喷射参数、燃气参数、阀动影响、两相流几个方面来对推力矢量进行研究；
　　（2）通过物理建模，完成了喷管外形的高质量前处理工作。本文参考工程设计人员的数据，设计完成了带有直连管双喷口的潜入式喷管几何外形，并通过计算验证了网格无关性、边界条件的适应性、计算格式的适应性；
　　（3）通过对比有二次喷射流场和无二次喷射流场，分析了壁面压力分布，阐明了侧向控制力的产生机理。通过采用线性回归分析，对喷射孔数量、喷射孔径、喷射角、喷射位置、喷射孔夹角及喷射孔包抄角六个方面进行了推力矢量性能相关性分析，得到了相关程度排序，并对各个方面进行了详细的影响规律分析、高温分布情况分析及激波影响规律分析。
　　（4）采用面域控制方法，在计算中实现了阀动开启的过程，并对阀动开启过程中推力矢量性能的变化规律进行了分析，研究了阀动过程中流场的建立规律以及侧向控制力的产生过程，为工程实践提供了有意义的参考数据。
　　（5）在冻结流计算结果的基础上，使用DPM模型进行离散相计算，对两相流的影响进行了初步研究，发现了两相流工况下推力损失和侧向控制力同时增大的现象，并分析了燃烧室内壁面颗粒沉积和机械剥蚀的分布情况，为喷管壁面材料设计和布局提供了一定参考。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 二次喷射推力矢量控制数值模拟

2.1 物理问题描述

2.2 物理模型的建立与处理

2.3 控制方程与计算方法

2.4 本章小结

第3章 二次喷射参数影响特性研究

3.1 二次喷射参数定义及范围

3.2 数值模拟适应性验证

3.3 二次喷射流场分析

3.4 二次喷射参数相关性分析

3.5 喷管壁面高温分布情况分析

3.6 激波结构影响分析

3.7 燃气参数影响分析

3.8 推力矢量性能影响规律分析

3.9 本章小结

第4章 二次喷射阀动开启非稳态问题流场研究

4.1 非稳态问题描述

4.2 活塞作动实现方案

4.3 非稳态问题结果规律分析

4.4 本章小结

第5章 二次喷射推力矢量控制两相流问题流场研究

5.1 两相流问题描述

5.2 两相流问题结果规律分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢