固体火箭发动机喷管分离流动流固耦合数值仿真.pdf

固体火箭技术
第卷第期
固体火箭发动机喷管分离流动流固耦合数值仿真①
吴朋朋,杨月诚,高双武,张昆鹏
第二炮兵工程大学二系室,西安
摘要:针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的分离流动,采用数值仿真方法进行分析,并与试验进行对比。通过集
成软件平台,连接计算流体动力学软件和有限元软件,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦
合计算。耦合计算结果发现,此大膨胀比喷管发生气流分离,且分离处斜激波后的气流温度与压力变化较大,采用流固耦
合数值方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境。耦合计算结果与试验进行对
比得出,耦合计算得到的分离位置能很好地拟合实验测得的气流分离位置,说明了流固耦合数值方法的有效性,为更深入
研究大膨胀比啧管分离流动现象提供了支撑。
关键词:固体火箭发动机;大膨胀比喷管;分离流动;流固耦合分析
中图分类号: 文献标识码: 文章编号:—


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引言级发动机正采用越来越大面积比的喷管,以提高高空
随着航天科学技术的飞速发展,固体火箭发动机性能。但大面积比喷管在地面试车以及发动机的启动
的研究工作开始突飞猛进。如美国于年月和关机过程中,都会产生分离流动现象。使用大面积
日对固体火箭发动机进行了测试,发动机比喷管来加速燃气的发动机,像美国的发动机、航
可产生万磅约推进力,是迄今为止用于天飞机主发动机、俄罗斯的发动机、
飞行的体积最大且功率最大的固体火箭发动机,可能欧洲的火神发动机和日本的¨等发动机的研
被用在未来的重型运载火箭上。之所以有这么大的进制过程中,均遇到了分离流动现象。国内外学者对分
步,非常重要的一点就是对喷管的改进。喷管是固体离流已开展了许多研究,如文献—。
火箭发动机的基本部件之一,在许多情况下,它决定了气流分离往往会对喷管造成危害,因为气流分离
发动机的外形和能量质量完善程度。改进喷管是提高的不对称性,可能造成较严重的喷管侧向载荷问题,导
火箭发动机性能重要途径之一。气动性能设计、结构致喷管气动性能下降。因此,气流分离的精确预测对
强度设计都是喷管设计的重要内容。于合理设计喷管是非常关键的。在很大的空气弹性变
随着推进技术的发展,运载火箭的助推级或第一形情况下,由于流动和结构相互作用,将会引起侧向载
①收稿日期:—;修回日期:。
作者简介:吴朋朋一,男,硕士生,主要研究航空宇航推进理论与工程。:.
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年月吴朋朋,等:固体火箭发动机喷管分离流动流固耦合数值仿真第期
荷巨大的增长。以往的仿真计算大多单独采用计算泊松比.,弹性模量.ד。
流体动力学软件,但没有反映喷管结构与燃.. 初始条件
气流相互影响的真实环境,因此缺乏足够的准确性。燃烧室压强为.×。喷管流场取海平面
随着数值算法的发展,为得到高质量的数值仿真结果, 的压强与温度作为流固耦合初始条件。喷管头部壁面
采用流固耦合方法对其进行耦合求解逐渐成为趋势。为绝热固壁边界;喷管结构表面、如为耦合边界。
该方法可揭示内流场、结构相互影响及规律,更真实反压力远场边界条件和压力出口边界条件取海平面