DPM与VOF耦合方法在固体火箭发动机沉积研究中的应用

发布时间：2020-05-09 23:17

【摘要】：近代固体火箭发动机中普遍采用加入金属粉末的复合推进剂,目的是提高推进比冲,增加推进剂的密度,但推进剂燃烧后燃气内会存在金属氧化物,其中三氧化二铝所占的比重最大。它们的熔点和沸点都很高,通常为凝聚相的粒子,存在着温度滞后和速度滞后。所以这些粒子可能会与发动机内部壁面产生撞击,在温差、粘性和表面张力等作用下,可能会粘结在壁面上形成沉积层,尤其是在喷管喉部以及潜入式喷管的背壁区产生沉积的情况比较严重。但目前大多数研究沉积问题的方法都是单一的拉格朗日方法,通过求解有关力的微分方程和轨迹方程来追踪粒子运动情况,进而判断沉积易发生的区域。所以本文将拉格朗日颗粒追踪法(DPM离散相模型)和界面追踪法(VOF)进行耦合,实现从粒子进入流场到被壁面捕获形成沉积层的这一过程。本文以OpenFOAM开源软件为平台,将两种方法通过程序来实现耦合,并将其应用于带有潜入式喷管的固体火箭发动机沉积中去。本文首先主要计算纯气相和颗粒分布的流场,来说明颗粒易进入或碰撞的区域,结果表明在喷管的进口凸缘壁面极易发生碰撞,背壁区域易发生沉积;除此之外本文还通过液膜模型对三氧化二铝液滴撞击到喷管凸缘处和背壁区域形成液膜进行模拟。在此基础上,本文将DPM与VOF两种方法进行耦合,并进行算例验证,最后模拟固体火箭发动机工作过程中粒子撞击壁面产生沉积现象这一过程,既可以观察到膜的形成,也可以观察到沉积层的厚度,这两种方法的耦合具有一定的意义。
【图文】：

图 1.1 机翼表面形成水膜 图 1.2 煤燃烧沉积现象Z. ZHANG[30]等提出了一个各相异性颗粒涡流相互作用模型，运用拉格朗日方测颗粒沉积现象。Jianjun Ni[31]等建立了一种熔渣反弹模型来预测颗粒撞击到壁面的过程，可以应预测熔渣沉积过程和结渣气化现象或者燃烧系统结果。提出了最大铺展直径和回则，并考虑了熔渣粘度、冲击速度、冲击角、熔渣表面张力、熔渣接触角和颗粒尺因素对熔滴直径和回弹率的影响。Hongjun Zhu[32]采用了 VOF 和 DPM 耦合方法模拟气体冲刷油罐表面的过程，了气体冲刷油膜表面的挥发速率。讨论进气量，残油密度，残油粘度，残油量，残径等因素对冲刷的影响。LINMIN LI[33]等人对冶金过程中汽化炉内气泡的运动和熔渣眼的形成进行了数拟，采用了大涡模拟与 DPM 和 VOF 的耦合的方法，可以很好的预测汽化炉内气泡稳定运动、熔渣眼的形成和界面的波动。

图 1.1 机翼表面形成水膜 图 1.2 煤燃烧沉积现象Z. ZHANG[30]等提出了一个各相异性颗粒涡流相互作用模型，运用拉格朗日方测颗粒沉积现象。Jianjun Ni[31]等建立了一种熔渣反弹模型来预测颗粒撞击到壁面的过程，可以应预测熔渣沉积过程和结渣气化现象或者燃烧系统结果。提出了最大铺展直径和回则，并考虑了熔渣粘度、冲击速度、冲击角、熔渣表面张力、熔渣接触角和颗粒尺因素对熔滴直径和回弹率的影响。Hongjun Zhu[32]采用了 VOF 和 DPM 耦合方法模拟气体冲刷油罐表面的过程，了气体冲刷油膜表面的挥发速率。讨论进气量，，残油密度，残油粘度，残油量，残径等因素对冲刷的影响。LINMIN LI[33]等人对冶金过程中汽化炉内气泡的运动和熔渣眼的形成进行了数拟，采用了大涡模拟与 DPM 和 VOF 的耦合的方法，可以很好的预测汽化炉内气泡稳定运动、熔渣眼的形成和界面的波动。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V435

【参考文献】

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本文编号：2656894