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复杂装药结构的燃烧室内流场数值模拟研究

作　者: 宋大明
导　师: 周长省
学　校: 南京理工大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 固体火箭发动机复杂装药动网格湍流气固两相流
分类号: V435
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文使用FLUENT软件及其UDF中二次开发技术,对二维装药的发动机进行了数值模拟。利用UDF和动网格技术建立了模拟包含燃面退移的固体火箭发动机内流场的计算方法,得到燃面变化下的二维瞬态内流场和相应的内弹道数值仿真结果。从仿真结果看到,利用UDF和动网格技术可以很好的模拟包含侵蚀效应的完整瞬态内流场。由于发动机尾部装药过早燃烧完全,暴露在高温燃气中的时间较长,而此时性能参数的变化,对发动机的热防护设计有一定的指导意义。针对三维复杂装药的流场计算,利用k-ε模型、准静态假设和平行层假设,建立了研究三维复杂装药内流场的计算方法,得到了在复杂装药中,其速度分布及湍流动能分布也呈现出三维的特点。但随着燃烧室末端与喷管前端的交汇处形成了一个突扩的台阶,燃气在收敛段中部猛烈撞击壁面,形成了一个环状的燃气滞止区,在该区域燃气的冲击和热烧蚀十分明显。由于有突扩台阶的存在,在该区域形成了一个明显的漩涡,燃气所具有的部分动能在漩涡中逐渐耗散转变为热能,从而加强了对壁面的传热。金属颗粒的加入不但能提高推进剂的性能,而且能增加其燃烧速率,但同时,它也会对流场有一定的影响。文章中对不同时刻、不同直径的颗粒相给流场带来的影响,逐一进行了描述及分析。在燃烧初期,由于直径小的颗粒其随流性好,故在喷管收敛段形成了漩涡,且在扩张段没有形成无颗粒区,同时对两种湍流模型下不同直径颗粒的马赫数、温度及湍流动能进行了分析比较。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-14
  1.1 研究的背景及意义  7-9
  1.2 国内外研究状况  9-13
  1.3 本文的主要研究内容  13-14
2 数学模型及FLUENT简介  14-21
  2.1 数学模型  14-17
    2.1.1 N-S方程组  14-17
    2.1.2 湍流模型  17
  2.2 Gambit简介  17-18
  2.3 FLUENT简介  18-20
  2.4 本章小结  20-21
3 包含侵蚀效应及燃面退移的瞬态内流场分析  21-30
  3.1 侵蚀效应  21-24
    3.1.1 侵蚀效应现象解释  21
    3.1.2 产生侵蚀效应的条件  21
    3.1.3 侵蚀燃烧模型  21-24
  3.2 燃面退移的计算方法  24-25
  3.3 动网格技术在简单装药中的运用  25-29
    3.3.1 基本假设  25
    3.3.2 控制方程  25-26
    3.3.3 边界条件的设定  26
    3.3.4 算例的分析与研究  26-29
  3.4 本章小结  29-30
4 复杂装药发动机内流场数值仿真  30-40
  4.1 复杂装药物理模型的建立  30
  4.2 仿真流程图  30-31
  4.3 网格划分与边界条件的设置  31-33
    4.3.1 划分网格  31-32
    4.3.2 边界条件的设置  32-33
  4.4 燃面退移模拟结果的分析  33-39
  4.5 本章小结  39-40
5 固体颗粒对发动机流场的影响  40-55
  5.1 两相流动对流场的影响  40
  5.2 两相流的守恒方程  40-42
  5.3 随机轨道模型  42-43
  5.4 算例分析  43-54
    5.4.1 基本假设  43-44
    5.4.2 不同颗粒直径下发动机内流场分析  44-50
    5.4.3 k-ε湍流模型与k-ω湍流模型的比较  50-54
  5.5 本章小结  54-55
6 结论与展望  55-57
  6.1 结论  55-56
  6.2 展望  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-61
附录  61

复杂装药结构的燃烧室内流场数值模拟研究

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