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含裂纹固体火箭发动机性能分析

作　者: 费阳
导　师: 张为华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 装药裂纹 固体火箭发动机 Level Set 燃面 内弹道
分类号: V435
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


与以往集中于固体装药裂纹本身力学性能及燃烧条件下动态扩展的研究工作不同,本文直接分析装药裂纹对发动机性能的影响,建立了含裂纹发动机性能预示模型。研究工作为含装药缺陷发动机工程判废提供了理论指导。基于Level Set界面追踪理论提出了含裂纹装药燃面计算方法,结合Level Set改进sub cell fix重新初始化方法,提高了Level Set方法在燃面计算中的通用性。将Level Set燃面计算方法进行了改造,使其可计算沿轴线各点燃烧周长,可与一维内弹道计算较好融合。以某发动机装药为对象,检验了Level Set燃面计算方法通用性及准确性,计算结果表明该燃面计算方法对含缺陷复杂装药燃面推移处理能力强,不仅为含裂纹装药燃面计算提供了有效方法,而且为分析装药裂纹对发动机性能影响奠定基础。考虑到装药含裂纹时压强轴向分布特点,本文建立了一维准定常内弹道计算模型,结合Level Set燃面计算方法,提出了含裂纹发动机内弹道预示模型,利用实验数据对模型有效性及准确性进行了检验。对某型号固体火箭发动机含不同装药裂纹时内弹道性能进行了计算与评估。研究结果表明:(1)当裂纹初始面积所占总燃面比例小于5%时,发动机头部压强曲线、推力曲线受扰动较小;(2)当裂纹初始面积所占总燃面比例在5%~10%时,发动机头部压强曲线、推力曲线波动不能忽略,发动机性能受到一定影响;(3)当裂纹初始面积所占总燃面比例超过10%时,发动机头部压强曲线、推力曲线偏离正常值较大,最大偏离量均超过25%。建立了固体火箭发动机三维内流场计算模型,利用等熵关系式检验了模型正确性与合理性。在此基础上,开展了含装药缺陷固体发动机三维内流场仿真,计算分析了装药含不同裂纹、脱粘时对发动机内流场的影响。随装药裂纹/脱粘宽度减小,裂纹/脱粘槽穴内部流场参数梯度及出口速度越大,对发动机内流场、裂纹局部压强、燃速影响越大,对装药结构完整性危害越大。

全文目录


摘要  13-14
ABSTRACT  14-15
第一章 绪论  15-24
  1.1 研究背景与意义  15-16
  1.2 国内外研究综述  16-22
    1.2.1 固体火箭发动机内流场仿真研究  16-17
    1.2.2 裂纹扩展力学性能研究  17-19
    1.2.3 燃面计算方法研究  19-22
  1.3 本文研究内容及论文结构  22-24
第二章 基于Level Set的含缺陷装药燃面计算方法  24-45
  2.1 引言  24
  2.2 Level Set方法概述  24-28
    2.2.1 Level Set方法  24-26
    2.2.2 Level Set方法在固体火箭发动机工作过程研究中的应用前景  26-28
  2.3 Level Set控制方程数值求解方法  28-33
    2.3.1 控制方程数值离散  29-31
    2.3.2 基于改进sub cell fix方法的重新初始化  31-33
  2.4 基于Level Set的含缺陷装药燃面计算方法  33-44
    2.4.1 平行层推移规律  33-34
    2.4.2 燃面、燃烧周长计算模型  34-35
    2.4.3 装药质量、自由容积计算模型  35
    2.4.4 燃面算例分析  35-44
  2.5 小结  44-45
第三章 含裂纹固体发动机一维准定常内弹道性能评估  45-65
  3.1 引言  45
  3.2 一维准定常内弹道计算模型  45-50
    3.2.1 模型假设  45
    3.2.2 一维准定常控制方程组  45-46
    3.2.3 一维准定常方程求解  46-50
  3.3 基于Level Set燃面计算方法的一维准定常内弹道模型验证  50-52
  3.4 含裂纹固体发动机一维准定常内弹道性能评估  52-64
  3.5 小结  64-65
第四章 含裂纹固体火箭发动机内流场分析  65-92
  4.1 引言  65
  4.2 固体火箭发动机内流场数值仿真模型  65-67
    4.2.1 气相控制方程  65-66
    4.2.2 湍流模型  66-67
    4.2.3 边界条件  67
  4.3 无缺陷装药发动机内流场计算及模型验证  67-71
    4.3.1 计算初始条件  67-68
    4.3.2 计算结果与分析  68-70
    4.3.3 模型验证  70-71
  4.4 含裂纹装药发动机内流场分析  71-86
    4.4.1 算例与计算网格  71-73
    4.4.2 含裂纹发动机内流场计算与分析  73-86
  4.5 含脱粘装药发动机内流场分析  86-90
    4.5.1 算例与计算网格  86-87
    4.5.2 含脱粘缺陷发动机内流场计算与分析  87-90
  4.6 小结  90-92
结束语  92-95
致谢  95-97
参考文献  97-103
作者在学期间取得的学术成果  103
  学术论文  103
  参加的主要科研项目  103

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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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