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固体火箭发动机气—固两相流的数值模拟

作　者: 杨丹
导　师: 郜冶
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 固体火箭发动机 两相流 颗粒轨道模型 双(多)流体模型 颗粒轨迹 颗粒体积分数
分类号: V435
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 535次
引　用: 4次
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内容摘要


现代固体火箭发动机广泛采用含金属复合推进剂，特别是含铝复合推进剂，以达到提高比冲的目的，铝的燃烧产物氧化铝粒子加入燃气后将形成典型的两相流动。两相流动会对发动机性能产生较大影响，高速运动的固体颗粒可能对发动机壳体以及喷管壁面产生冲刷。许多大型固体火箭发动机采用潜入式喷管，含铝推进剂燃烧时产生的比较大的固体颗粒无法进入喷管，会沉积在潜入喷管背壁空腔，就形成所谓的熔渣。 对气固两相流进行数值研究的模型基本可以分为两类：颗粒轨道模型(Lagrangian)和双流体模型(Eulerian)。这两种模型对气相的计算均采用已经比较成熟的单相流算法，其差别主要在于对颗粒相的处理。本文将两种模型用于固体火箭发动机内流场的两相流计算，利用大型CFD软件FLUENT中的颗粒轨道模型、混合物模型(即欧拉模型)对文献中的经典算例进行计算，并将结果与文献中结果进行对比验证。再将以上两种模型用于某潜入式喷管发动机，并比较其结果。 本文得到以下结论： 1．颗粒轨道模型能够模型有复杂经历的颗粒相，如颗粒的蒸发或凝结、沉积或冲刷，并可以清楚地看到粒子的运行轨迹。但对于模拟两相之间的耦合作用其效果不佳，且不能给出连续的颗粒速度和浓度的空间分布。 2．双流体模型能够全面考虑颗粒的湍流输运，并用统一的方法处理颗粒及流体相，两相间的耦合作用较强。其缺点是不能模拟颗粒的复杂变化，当颗粒分组数较多时，所需计算存贮量过大。 3．两相流场中的气相速度均小于纯气相流动，且尺寸小的粒子比大粒子使气相速度降低的程度更大，这与物理现象是一致的。颗粒质量分数不同，其对气相流场的影响程度是不同的，这一点在Eulerian方法中更能得到很好的体现，而Lagrangian方法颗粒相不占压力，因此其影响程度很小。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-23
  1.1 选题的目的和意义  10-11
  1.2 课题的国内外发展、研究状况  11-14
  1.3 计算流体力学的发展  14-21
    1.3.1 CFD在工程中的应用现状  15
    1.3.2 CFD软件技术  15-16
    1.3.3 CFD技术的一般化处理方法  16-21
  4.论文主要研究内容  21-23
第2章 两相流基本理论  23-44
  2.1 两相流基本特性及其描述  23-31
    2.1.1 流动类型  23-24
    2.1.2 颗粒尺寸及其分布  24-25
    2.1.3 表观密度及体积分数  25-26
    2.1.4 各种模型的近似  26-27
    2.1.5 颗粒阻力、传热传质及反应  27-30
    2.1.6 颗粒群统计守恒  30-31
  2.2 两相流基本守恒方程组  31-44
    2.2.1 两相流或多相流系统控制体  31-32
    2.2.2 体平均概念  32
    2.2.3 相内微观守恒方程组  32-33
    2.2.4 层流多相流体平均守恒方程组  33-40
    2.2.5 湍流多相流时平均守恒方程  40-44
第3章 两相流模型及固体火箭发动机两相流基本理论  44-74
  3.1 两相流模型  44-66
    3.1.1 单颗粒动力学模型  44-50
    3.1.2 小滑移模型  50
    3.1.3 单流体模型(无滑移模型)  50-51
    3.1.4 颗粒轨道模型(欧拉-拉格朗日模型)  51-57
    3.1.5 双(多)流体模型  57-66
  3.2 火箭发动机内流场两相流的基本性质  66-74
    3.2.1 Al_2O_3微粒相的一般性质  66-74
第4章 数值计算结果及分析  74-100
  4.1 引言  74
  4.2 与经典算例的对比验证  74-88
    4.2.1 算例一  74-83
    4.2.2 算例二  83-88
  4.3 潜入式固体火箭发动机内流场的数值模拟  88-99
    4.3.1 计算模型的选取  90-91
    4.3.2 计算结果比较  91-99
  4.4 本章小结  99-100
结论  100-102
参考文献  102-106
攻读硕士学位期间发表论文情况  106-107
致谢  107

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 推进系统（发动机、推进器） > 固体推进剂火箭发动机
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