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固体火箭冲压发动机补燃室粒子沉积与绝热层烧蚀过程研究

作　者: 王德全
导　师: 夏智勋
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 固体火箭冲压发动机补燃室两相耦合粒子分布凝固粒子沉积绝热层烧蚀直连式试验
分类号: V435
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

固体火箭冲压发动机补燃室内壁面粒子沉积、补燃室壳体热防护材料的烧蚀问题,是目前发动机研制过程中的一个关键的技术瓶颈。沉积与烧蚀问题能否有效解决,直接关系到固体火箭冲压发动机在下一代导弹中的应用进程。本文采用理论、试验与数值模拟相结合的研究方法,系统研究了补燃室内复杂的两相流动过程,分析了补燃室内壁面粒子沉积以及绝热层烧蚀的物理过程,对补燃室粒子沉积、绝热材料烧蚀机理及其影响因素进行了探索性研究。基于经典形核理论,计算了氧化铝液滴凝固过程中的形核、再辉等阶段的温度变化,分析了氧化铝液滴在补燃室运动过程中的冷却凝固现象;应用改进的移动火焰锋面燃烧模型,对各影响因素下未完全燃烧的碳颗粒在补燃室内的燃烧过程进行了分析计算。基于颗粒的随机轨道模型,考虑了湍流扩散对粒子运动轨迹的影响,对铝镁富燃料推进剂固体火箭冲压发动机补燃室两相燃烧流动过程进行了数值模拟,分析了补燃室内流场旋涡分布,发现了两个对流动发展影响较大的旋涡结构:“中心涡”以及“进气道环涡”;分析了粒子与燃气之间的两相耦合过程,计算了补燃室内不同粒子在旋涡作用下的空间分布,讨论了粒子运动过程对补燃室流动发展的影响,为进一步研究粒子沉积和绝热层烧蚀奠定了基础。分析了补燃室内粒子动态沉积过程,建立了高速气流剪切作用下的粒子沉积模型;讨论了补燃室绝热层的动态烧蚀过程,提出了一个补燃室绝热层稳态烧蚀率计算方法,通过与地面试验解剖数据对比分析,验证了沉积与烧蚀模型的适用性。分析了不同种类、不同粒径的粒子在补燃室内壁面的沉积规律,对发动机不同结构参数和工作参数下的粒子沉积问题进行了数值分析,得到了补燃室内壁面沉积速率的三维分布;采用动网格技术,分析了发动机非稳态沉积过程中燃气流动边界形状变化对燃气流动以及沉积分布的影响,得到了补燃室内壁面的非稳态沉积规律,对直连试验中出现的进气道出口拐角“烧蚀沟槽”现象进行了理论分析,为深入理解补燃室内壁面粒子沉积与绝热层烧蚀过程提供了理论依据。基于本文提出的稳态烧蚀率计算方法,计算得到了补燃室绝热层稳态烧蚀率的三维分布,对补燃室不同位置的绝热材料烧蚀机理进行了分析,讨论了粒子剥蚀与燃气热化学烧蚀对烧蚀量的影响,研究了不同结构参数和工作参数对烧蚀率分布的影响,为有效降低补燃室绝热层烧蚀提供了理论指导。开展了固体火箭冲压发动机沉积与烧蚀问题的直连式试验研究,系统研究了发动机结构参数和工作参数对沉积、烧蚀特性的影响,对本文建立的补燃室粒子沉积模型以及稳态烧蚀率计算方法进行了验证。固体火箭冲压发动机地面直连试验得到的沉积与烧蚀结果,为进一步研究流场沉积与烧蚀问题奠定了基础。本文对固体火箭冲压发动机补燃室内两相耦合过程进行研究,为解释试验过程中出现的诸多现象提供了理论依据,采用的粒子沉积模型以及绝热层稳态烧蚀率计算方法,可对补燃室内的沉积与烧蚀问题进行定性分析,为发动机设计提供理论指导。

全文目录

摘要  14-16
Abstract  16-18
第一章绪论  18-34
  1.1 研究背景及意义  18-20
  1.2 相关领域研究进展  20-31
    1.2.1 金属/非金属颗粒燃烧过程研究  20-23
    1.2.2 粒/壁作用过程研究  23-24
    1.2.3 固体火箭冲压发动机内流场数值模拟研究  24-26
    1.2.4 火箭发动机粒子沉积研究  26-28
    1.2.5 火箭发动机绝热层烧蚀研究  28-31
  1.3 本文主要研究内容  31-34
第二章固体火箭冲压发动机补燃室两相流动过程研究  34-68
  2.1 引言  34
  2.2 两相流场模拟相关模型分析  34-49
    2.2.1 气相控制方程  35-37
    2.2.2 粒子相模型  37-38
    2.2.3 湍流模型  38-40
    2.2.4 气相湍流燃烧模型  40
    2.2.5 粒子燃烧模型  40-44
    2.2.6 液滴凝固模型  44-49
  2.3 流场参数分布  49-59
    2.3.1 边界条件  49-52
    2.3.2 计算条件、网格及离散方法  52-54
    2.3.3 流场参数分析  54-59
  2.4 两相耦合分析  59-66
    2.4.1 粒子分布  59-62
    2.4.2 粒子与涡流相互作用分析  62-66
  2.5 小结  66-68
第三章补燃室粒子沉积模型研究  68-79
  3.1 引言  68
  3.2 沉积模型分析  68-73
    3.2.1 粒/壁作用分析  68-70
    3.2.2 固体火箭冲压发动机沉积过程  70-71
    3.2.3 固体火箭冲压发动机环境下的粒子沉积模型  71-73
  3.3 模型验证  73-77
    3.3.1 算例验证1  73-75
    3.3.2 算例验证2  75-77
  3.4 小结  77-79
第四章补燃室绝热层烧蚀模型研究  79-90
  4.1 引言  79
  4.2 硅基复合材料烧蚀模型  79-87
    4.2.1 烧蚀物理过程分析  79-81
    4.2.2 烧蚀面质量、能量守恒关系  81-87
  4.3 模型验证  87-89
    4.3.1 边界条件  87
    4.3.2 算例验证  87-89
  4.5 小结  89-90
第五章补燃室粒子沉积数值模拟  90-125
  5.1 引言  90
  5.2 补燃室粒子稳态沉积过程数值分析  90-115
    5.2.1 相关参数设置  90-91
    5.2.2 粒径分布对沉积的影响  91-94
    5.2.3 沉积规律分析  94-96
    5.2.4 粒径分布的试验验证  96-97
    5.2.5 工作参数对沉积分布影响  97-107
    5.2.6 结构参数对沉积分布影响  107-115
  5.3 补燃室粒子非稳态沉积过程数值分析  115-123
    5.3.1 壁面壳体升温过程分析  115-119
    5.3.2 考虑动边界的补燃室沉积过程三维分析  119-123
  5.4 小结  123-125
第六章补燃室绝热层烧蚀数值模拟  125-140
  6.1 引言  125
  6.2 补燃室绝热层烧蚀过程数值模拟研究  125-131
    6.2.1 基本假设  125
    6.2.2 计算条件及网格  125-126
    6.2.3 补燃室烧蚀过程数值模拟结果分析  126-131
  6.3 补燃室烧蚀分布影响因素分析  131-139
    6.3.1 燃气发生器喷孔构型对烧蚀影响  131-134
    6.3.2 冷/热流空气对烧蚀影响  134-136
    6.3.3 空燃比对烧蚀影响  136-137
    6.3.4 补燃室压力对烧蚀影响  137-139
  6.4 小结  139-140
第七章补燃室粒子沉积与绝热材料烧蚀试验研究  140-155
  7.1 引言  140
  7.2 试验系统  140-142
    7.2.1 气体供应与测量控制系统  141
    7.2.2 试车台  141-142
  7.3 发动机设计与试验数据处理方法  142
    7.3.1 发动机设计  142
    7.3.2 试验数据处理  142
  7.4 燃烧时间试验研究  142-146
  7.5 发动机尺寸效应  146-149
  7.6 压力影响分析  149-152
  7.7 材料种类试验研究  152-154
  7.8 小结  154-155
第八章结束语  155-159
  8.1 全文工作总结  155-157
  8.2 对未来工作的展望  157-159
致谢  159-161
参考文献  161-170
作者在学期间取得的学术成果  170

固体火箭冲压发动机补燃室粒子沉积与绝热层烧蚀过程研究

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