复杂环境下某型固体火箭发动机喷管流场的数值的分析研究.pdf

国内图书分类号: TJ011.+5 学校代码: 10213 国际图书分类号: 密级:公开工学硕士学位论文(工程硕士) 复杂环境下某型固体火箭发动机喷管流场的数值研究 硕士研究生:胡志军 导 师:刘军考副教授 申请学位:工学硕士 学科:机械电子工程 所在单位:北京宇航系统工程研究所 答辩日期: 2011 年 7 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TJ 011.+5 : Dissertation for the Master Degree in Engineering NUMERICAL INVESTIGATION OF THE FLOW FIELD IN SRM NOZZLE UNDER PLEX OPERATION CONDITION Candidate : Hu Zhijun Supervisor : Associate Prof. Liu Junkao Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Mechatronics Engineering Affiliation : Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering Date of Defence : July, 2011 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-I- 摘要火箭发动机在复杂工况下具有较宽的稳定工作范围,同时能够获得较大推力始终是现代动力系统设计的重要目标之一,因此深入研究发动机典型气动部件?? Laval 喷管内部以及射流流场结构,探讨复杂工作环境下推力部件内部超音速流场的建立过程及其射流激波结构,研究发动机不同启动过程 Laval 喷管推力产生机制,已经成为发射气体动力学研究中的重要课题。将现代 CFD 技术与发动机关键部件的设计技术相结合,以更大可能地提高固体火箭发动机的气动性能与稳定工作特性将是一条极具潜力的途径。本文采用 CFD 技术与理论分析相结合的方法,针对集不同背压、不同环境介质、定常与非定常、不同启动过程等一系列实际工况为一体的某型固体火箭发动机 Laval 喷管的典型流场结构与推力特性进行系统研究,较为全面地探讨复杂工作条件下喷管内部超音速流动建立过程、燃气射流发展规律、气水交界面动力学特性与传质传热机制、可压燃气泡的演化历程等复杂问题,并获得相应的气动参数分布数据,为复杂环境下火箭动力系统关键气动部件的设计与实验研究、拓展固体火箭发动机的实际工程应用范围奠定理论基础。应用实验数据对所采用的计算方法进行校核与标定,并通过全三维模型与一维流动模型对本文所采用的轴对称模型求解精度与可靠性进行验证,以保证采用轴对称模型对 Laval 喷管内部以及射流结构进行数值研究不仅能够获得较高的求解精度,而且能够在有限的时间内完成发动机从启动到关机非定常过程多方案的巨大计算工作量。定常条件下,稳态喷管射流结构与推力特性的研究表明,随着环境背压的增加,射流从欠膨胀转化为过膨胀,流量减小,射流的鼓筒式激波结构逐渐简化并向喷管出口移动,发动机推力逐渐减小;喷管出口附面层区域的流动状态最先转化为亚音速流动,射流强度沿径向分布不均匀。稳态喷管射流的鼓筒式激波结构具有良好的轴对称性,激波在射流中心线上进行多次相交反射,导致射流气动参数沿轴向波动,射流能量降低,喷管射流的鼓筒式激波结构在远场区域逐渐被抹平。非定常条件下,对于欠膨胀喷管超音速射流,喷管流量特性几乎不受环境背压影响。随着环境背压增加,发动机推力减小,喷管射流马赫数降低,但喷管出口射流第一道激波强度增加,喷管内部不易建立稳定流动。启动初期,不同启动方式的流量与推力曲线均表现为高频波动特征,增加喷管进口总压的上哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II- 升速度,激波与喷管壁面附面层的相互作用频率降低,喷管内部气动参数阶跃次数减少,喷管流量与推力波动幅值与频率也降低,喷管内部以及射流易于建立稳定的超音速流动。当背压与喷管进口总温一定时,发动机流量与推力变化规律与燃烧室出口总压变化规律相似。最后,针对发动机在水下工作的工况条件,研究了可压射流的气水两相流动与燃气泡的演化特性。水下可压燃气泡从启动初期的气水交界处燃气泡发生翻卷,燃气泡的尺寸增加,到高温燃气泡的发展、局部脱落、紧缩、破裂等一系列动力学演化历程,水下可压燃气射流表现出更加复杂的多相流体动力学特性。燃气射流射入水中