分段式固体火箭发动机粒子沉积及扩张段粒子冲刷研究
借助数值模拟方法探究了某分段式固体火箭发动机后段燃烧室壁面出现大量粒子沉积、喷管扩张段出现粒子冲刷痕迹两个试验现象产生的原因,提出了相应的改进建议.分析了某典型分段式固体火箭发动机粒子沉积特性,探究了Al2O3粒子的粒径分布、粒子与壁面碰撞模型和限燃环设计参数对粒子沉积的影响,提出了有效减少粒子沉积的建议.对比了不同湍流模型、颗粒轨道模型对形成冲刷痕迹的影响,分析了喷管扩张段两相流场特征,确定了形成冲刷痕迹的粒径范围,判断了冲刷痕迹的形成时间,提出了喷管内型面优化措施.主要得到下列结论:(1)按照基于韦伯数的碰撞模型,粒子碰撞沉积壁面主要发生粘附,粒子沉积部位主要为后段燃烧室壁面.在设置粒子最小直径为10μm,平均直径为20μm~70μm,最大直径为120μm的条件下,粒子平均直径越小,后段燃烧室壁面的粒子沉积率越大,喷管潜入区下壁面的粒子沉积率越小.对于120s时刻的内流场几何模型,在设置限燃环高度为0mm~297mm的条件下,限燃环高度越大,粒子受扰动越易于碰撞后段燃烧室壁面,导致后段燃烧室壁面的粒子沉积率越大.(2)限燃环对流场造成影响是后段燃烧室壁面粒子沉积过多的主要原因.为减少粒子沉积量,应合理选择限燃环材料,以减小限燃环在流场中的暴露高度;在药柱研制生产中应确保前、后段燃烧室药柱的燃速一致,确保发动机工作时药柱同时燃尽,避免后段燃烧室壁面过早暴露于流场中.(3)喷管扩张段的冲刷痕迹形成于发动机工作的15s时刻之前,主要由药柱后翼燃烧产物中直径为10μm~16μm的粒子造成.减小喷管扩张段型面的曲率变化、增大喷管扩张段出口半角可有效减弱粒子对扩张段壁面的冲刷程度.主要创新点包括:针对分段式固体火箭发动机粒子沉积计算,首次开展了不同粒子与壁面碰撞模型对比研究,首次分析了限燃环高度和轴向位置对粒子沉积的影响规律.
- 作者：
- 苗志文
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 航空宇航科学与技术
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 甘晓松
- 中图分类号：
- V435
- 关键词：
- 分段式固体火箭发动机；数值模拟；粒子沉积；扩张段粒子冲刷
- Segmented solid rocket motor; Numerical simulation; Particle slag; Divergent section particle erosion;