(固体火箭发动机原理)两相流动力学跟踪研究毕业设计论文(编辑修改稿)

(固体火箭发动机原理)两相流动力学跟踪研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

律 [4]。 刘洋 [5]等从三维粘性可压缩 的纳维斯托克 方程出发，利用瑞流模型的封闭方程组，采用二阶迎风格式，并使用颗粒轨道模型计算了两相流流场。 分析得到影 本科毕业设计论文 10 响长尾喷管中粒子分布的三个因素，即： 粒子的尺寸； 过载组合不相同 铝粉所占的百分比。 郭颜红 [6]等利用 欧拉 拉格朗日 方法，对带长尾喷管中的三维两相流场进行了模拟，采用离散 纳维斯托克 方程以及不完全 LU 分解预处理的算法，和可压缩的SIMPLE 算法，并且用 PSIC 方法计算获得了颗粒参数的分布规律和颗粒的运动轨迹。 张志峰 [7]等分别采用随机型与确定型颗粒轨道模型对不 同颗粒尺寸的运动进行了计算，并比较了所得的结果，研究表明，颗粒直径越大，随机型轨道模型的优势就越显著；粒子尺寸较小时，湍流脉动是硬性粒子运动的主要因素，粒子尺寸比较大的时候 ,则惯性是首先的影响因素。 严聪 [8]等使用 EulerLagrange 模型方程，在旋转条件下，对长尾喷管发动机开展了三维二相流场数值模拟的研究，获得了颗粒的旋转速度以及微粒直径对长尾喷管中粒子浓度分布的影响和粒子的运动规律。 陈剑 [9]等建立并设计了一种模拟和长尾喷管烧蚀的实验方法和装置，使用该装置进行了正常状态下的实验，以及在 过载状态下的实验研究，同时获得了烧蚀实验数据和烧蚀形貌，而且试验结果在一定程度上比较吻合。 刘敦启 [10]等进行了发动机长尾喷管内衬残骸的检测及研究，并对喷管内的流场开展了仿真计算，获得了内衬的烧蚀规律和烧蚀机理，证明了喷管内衬烧蚀严重的主要原因就是凝相粒子的侵蚀。 薛赛男 [11]采取数值仿真方法，对固体火箭发动机长尾喷管内的两相流开展了了数值模拟的研究。 通过构造长尾喷管中流场的纯气相流以及气固两相流物理模型，并假定初始边界条件，分别对两种模型进行仿真计算，研究分析喷管内流场参数（温度、压强及马赫数等）以及 燃气粒子直径的变化分布规律，以达到优化喷管内流场热防护结构设计的目的。 宋亚飞 [12]等利用 EulerLagrange 模型（颗粒轨道模型）对固体火箭发动机内气固两相流进行了数值模拟，通过将颗粒直径为 1 微米两相流与纯气相流场的比较，以及喷管内不同直径颗粒运动轨迹的对比，研究分析了粒子相对喷管流场的影响和颗粒运动的特性及分布规律，研究发现：颗粒相对喷管内流场参数（马赫数、温度）的影响较大，但是对压强的影响较小；颗粒直径与颗粒相运动轨迹关系紧密，且对颗粒的分布有很大的影响；颗粒分布、颗粒沉积特性和颗粒运动轨迹三 者之间密切相关。 高峰 [13]等利用 EulerLagrange 模型，在不同的过载和颗粒尺寸条件下，模拟了喷管的内流场。 对过载的加入以及粒子尺寸变化的研究，得出了喷管内流场相关参数（压强、温度、速度等）的作用。 分析结果表明 :喷管内部燃气参数受过载和粒子尺寸变化的影响非常明显 ,尤其是对温度的影响作用特别显著。 在纯气 本科毕业设计论文 11 相条件下 ,喷管长尾段后部的燃气温度显著降低 ,但是加入颗粒相后 ,在喉部的附近和扩张段中 ,纯气相情况下的燃气温度低于两相流情况下的燃气温度。 两相流塞式喷管 任军学 [14]等为了分析 发动机塞式喷管中两相流场的特点和性能的情况，利用EulerLagrange 两相方法计算了二维全场塞式喷管内的两相流场。 经过比较两相流场和纯气相流场的计算结果，证明了气流比热比减小的原因是因为颗粒相加入的缘故，颗粒相的存在也会使得不高的空气环境中，塞锥表面的压强峰值向后移动；然而在较高的大气环境中，压强在塞锥表面会增加；外界反压和塞锥气流的变化对大直径颗粒的运动轨迹影响小，但是外界反压和塞锥气流对小直径颗粒的运动轨迹影响大；塞式喷管与钟型喷管在两相流性能方面基本相似；颗粒含量越高、直径越大，喷管的效率就越低。 谢侃 [15]等研究了固体火箭发动机两相流环缝塞式喷管型面的设计方法。 环缝塞式的设计方案需要考虑两方面的因素：一是两相流因素，二是约束型面设计的极限粒子流线。 在设计时，假设两相流为常滞后流动，并提出新的 Angelino 型面设计法，阐明了改进法最后的设计公式以及常滞后两相流的 PrantdlMeyer 函数关系式，并用 Fluent 计算了改善后设计的喷管型面的功能。 计算结果表明，和没有改进的纯气相型面设计法相比，此方法设计的型面的推力性能提高约 1%，长度缩短接近 33%，证明了改进后的两相流环缝塞式喷管设计型面方 法的合理性和有效性。 谢侃 [16]等 在常滞后二相流假设下，建立了改进的 Angelino 理想型面法以及改进的“二次曲线 +三次曲线”造型法，用改进法来设计两相流的环缝塞式喷管；并计算了通过这两种方法设计的塞式喷管的性能。 计算结果表明：在二相流条件下和没有考虑二相流效应的纯气相理想方法设计的喷管型面相比，通过改进的Angelino 法设计的喷管型面长度大约缩短百分之三三，推力增大近百分之一；改进法设计的型面长度减小约 6%，性能提高近 4%。 陈涛 [17]等利用有限体积法计算了三种形式的环缝塞式喷管，经 过流场结构分析及性能的比较，说明单元间隙比较小的多单元环簇形塞式喷管，在全部的飞行高度下都具有很高的推力效率，比较适合作为固体推进剂火箭发动机塞式喷管的最基本构型。 并在此基础上，使用颗粒轨道模型对二十单元环簇型塞式喷管的二相流场进行了模拟，因为颗粒的存在会使二相流场相对纯气相的状态有很大变化 ,主流分布的范围增大，马赫数发生滞后，而且颗粒尺寸越大喷管的效率就越低 ,颗粒尺寸为 10 微米时，喷管性能较纯气相减少 9%左右。 两相流喷管参数及性能研究 迟鸿伟 [18]等研究了大负载比气固两相喷管参数及通道的形 状优化，通过应用非结构化四边形自适应网格建立喷管模型，利用欧拉 欧拉方法建立两相控制方 本科毕业设计论文 12 程，并使用有限容积法求解有限差分方程得到了各种不同负载比下的两相流运动规律；初步推导了两相近似等温思想下的推理计算公式，在进一步的进行了与等熵推理公式、沿壁面数值积分计算结果的比较，结果表明，在较大的微粒直径范围内，与实际推力更符合的是近似等温流思想推力计算结果，而等熵公式计算结果与实际推力相差较大；通过对比不同扩张角下的推质比，研究发动机的优化设计。 陈军 [19]采用火箭发动机喷管中的一维两相流动的数值模拟计算数据，经过 对比计算分析喷管一维二相流动参数和纯气相流动的变化规律，得出在两相流动条件下火箭喷管的性能计算公式。 此公式包括了两相流动中全部的因素，例如比热比、喷管尺寸和凝相尺寸等，拥有普遍的适应性。 研究计算结果说明，该理论的预示精度可达到千分位到万分位，并且简化了应用在固体火箭发动机中的两相流模型，有助于提高固体火箭发动机性能的预示精度。 杨寒 [20]研究了铝冰固体火箭发动机中气固两相流的喷管参数，使用了MusclHancok 格式以及有限体积法，又分别采用 HLL 格式和 Stegerwarming 格式来处理气相界面通量 和颗粒相。 在无粘、层流和湍流流态下，研究了喷管超大负载比下的流动参数规律，阐明了对推力性能影响的各项因素（颗粒尺寸和负载比等）。 同时，利用数值模拟计算得到，在超大负载比条件下，两相流动冲量损失远大于纯气相冲量损失，近似等温系数随着颗粒直径的增大与积分推力系数的偏离就越大；而等熵推力系数的变化趋势随负载比的变化与积分推力系数比较一致。 刘冰 [21]等研究了考虑气体 颗粒二相流效应时的火箭发动机喷管内参数的优化设计。 采用以遗传算法为基础的直接优化设计方法，优化喷管中型面的重要参数，以降低喷管内的比冲损失，从而提 高发动机的性能。 通过喷管两相流的计算得到比冲损失的大小，并设计相关的软件来自动完成常见的喷管型面的参数优化设计，优化计算的结果证明，喷管相对比冲损失能够明显减小。 二、两相流内弹道研究 池长青 [22]等对固体火箭发动机的内弹道展开了研究。 研究得出：发动机比冲以及平衡压力都会受到凝相质点大小的影响作用，而且燃烧室中凝相质点的相对速度滞后效应非常明显。 宋明 [23]等就内弹道一维两相流动给出了固壁边界和底火射流边界处理的一种新方法 ,并用这种方法对 30 毫米火炮膛内压力波进行了成功的数值模拟。 黄伟 [24]等针对采用含铝推进剂的发动机建立其两相流动的理论模型，再用数值方法对其内弹道进行了预估计算，同时还与气相计算模型进行对比。 本科毕业设计论文 13 鲍福廷 [25]等对 双燃速固体发动机的一维内弹道进行了研究，主要讨论了它的计算方法，提出了混合燃气参数的解决办法，分析了影响内弹道性能的各种因素，为一维内弹道的计算提供了一种有效的方法。 陈军 [26]等研究分析了固体火箭发动机中内弹道存在的两个问题： 内弹道的模型过于简单； 内弹道模型达不到统一；为此，他们构造了统一形式的内弹道计算模型，并推导证明了在各种收敛准则及边界条件下 的物理模型，同时计算了粒子尺寸的变化特征。 研究结果表明，该模型能够很好的 减 少纯气相模型造成的理论和实际两者间的误差，提高了发动机内弹道的预测精度。 李宏顺 [27]等依据已有的单燃速热力学参数标准，研究了双燃速固体火箭发动机的内弹道，建立了零维两相的内弹道方程，该方程中不仅含有一个新形式的能量方程，并且还包括一种简洁实用的方法，该方法既可以计算点火的上升段，还可以计算发动机的特征速度和比冲。 程诚 [28]为了提高对内弹道两相流过程中复杂激波系的捕捉能力 ,将基于 Roe型格式的近似黎曼解模型推广到火炮两相 流数值模拟中。 通过与实验结果进行对比分析 ,说明了基于 Roe 格式的高阶近似黎曼解模型在处理火炮膛内强间断及复杂波系时有较强的分辨能力。 陈军 [29]采用固体火箭发动机喷管中的两相流动性能的计算公式，构造了零维两相流的内弹道模型，其中包含零维两相内弹道的微分方程与平衡压强公式，说明了模型中牵涉到的两相性能参数的计算方法。 与一维两相流的内弹道模型相比，零维内弹道模型不仅简单，而且还可以满足必要的精度要求，适用于工程应用的快速估算。 使用该模型对某远程固体火箭发动机进行了两相内弹道的分析计算，研究结果 和实验数据吻合较好，说明该内弹道模型能有效地减少纯气相模型所造成的理论和实际之间的模型误差，有助于快速估算发动机中的两相流内弹道参数，并提高其预示精度。 三、两相流烧蚀 翟鹏 [30]等基于自主创建的烧蚀实验系统，利用有限体积的方法，开展了烧蚀枪内外的二相流场的数值模拟计算，得出了烧蚀枪内的燃气流以及粒子流的速度场和温度场的变化规律，由此说明该方法可以很好的用来模拟两相流的流场。 张承志 [31]等针对绝热材料烧蚀的问题，研究了颗粒冲刷情况下的烧蚀过程，并在不同的初始冲刷条件下，对侵蚀过程和结果进行了探 索研究，同时采用数值模拟方法分析了实验过程。 研究分析结果表明，两相流动冲刷参数的变化对绝热层的侵蚀过程以及侵蚀后的最终形貌影响很大，在烧蚀过程中，伴随着绝热层表面的局部冲刷参数的恶劣变化，烧蚀造成的凹坑也不断变窄、变深，而且颗粒对碳化层的损坏效果更加严重；通过分析绝热层推移型面上的颗粒冲刷参数分布规律和二次聚集效果，总结出形貌改变和绝热材料表面冲刷烧蚀条件之间具有很强 本科毕业设计论文 14 的相互作用，并且冲蚀条件剧烈就会导致绝热层表面产生局部的凹坑，而后烧蚀凹坑变深、变窄有会翻过来造成颗粒在凹坑中的二次聚集。 李强 [32]等采用一种经过精心设计流路的小型固体火箭发动机，研究了低速、高颗粒浓度的两相射流对碳 /碳复合材料试验片的影响。 测量了线性烧蚀率，采用电子显微镜扫描研究了烧蚀表面和的微观结构以及烧蚀机理。 在研究的参数范围内，碰撞区的机械磨损是炭 /炭复合材料烧蚀的主要因素，然而化学烧蚀的作用较弱。 炭 /炭复合材料烧蚀会导致钝尖的断裂，还会形成一个层状矩阵。 粒子对质量流率的影响比对烧蚀速率的影响更显著；对于中型尺度，碳棒比纤维素更能抵抗机械磨损；对于小型尺度，碳纤维比碳基质更容易受到机械磨损，而且碳纤维比基质和表面更能抵抗化学的 腐蚀的作用。 邢志浩 [33]等对过载情况下的固体火箭发动机进行了数值模拟以及旋转过载实验。 研究结果说明，在过载条件下，影响颗粒分布规律和绝热层剧烈烧蚀部位的重要因素包括： 过载量值； Al 含量。 李江 [34]等在高过载条件下，研究了绝热层烧蚀的试验方案 ,给出了一种新的研究方法，即弯管分离法，并采用数值模拟的方法对该方法进行了实验验证，研究结果证明了此方法的可行性。 紧接着，他 [56]又提出了另外一种新的模拟试验的方法：收缩管聚 集法，并建立了相应的实验装置。 对高过载条件下的绝热层烧蚀进行了对比实验研究，结果表明，绝热层烧蚀受颗粒冲刷的影响非常严重。 乐发仁 [36]等采用化学反应以及两相流耦合方法，构造了 Al 颗粒的燃烧模型。