基于燃面耦合传热的固液发动机工作过程仿真

发布时间：2017-08-18 16:04

  本文关键词：基于燃面耦合传热的固液发动机工作过程仿真

  更多相关文章： 固液发动机 内弹道 退移速率 热耦合 PDF燃烧模型 数值模拟

【摘要】：固液火箭发动机具有成本低、安全性好、推力可控等优点,是化学推进领域的一个重要类别。固液火箭发动机的燃烧受到传热、流动、结构等多种因素影响,使其性能预示非常困难,也制约了这种发动机的应用。本文从仿真的角度出发,建立了基于燃面耦合传热的数值模拟方法,得到了固液发动机工作过程仿真的有效途径。本文以某固液发动机作为研究对象,基于发动机性能计算的化学平衡方法,建立了固液发动机内弹道计算模型,并通过该模型计算了实验发动机的内弹道,得到了发动机燃面退移速率、室压、推力、比冲等参数的变化规律。针对固液混合火箭发动机燃烧室内的流动和燃烧,详细分析了固体燃料扩散燃烧的原理,建立了基于流场与固体燃料之间耦合传热模型、湍流模型及PDF燃烧模型的综合计算模型。开展了计算模型的验证,计算结果与实验结果符合较好。应用该模型计算了二维固液实验发动机燃烧室及三维的固液燃烧室,得到了较为详细的燃烧室内流场以及固体燃料的退移速率。针对内孔燃烧的实验发动机,应用本文建立的计算模型,分别计算了发动机内弹道和内流场,得到了较为一致的总体性能参数。初步研究了补燃室结构、喉径等参数对发动机性能的影响。研究表明,本文所建立的固液发动机内弹道计算方法和基于燃面耦合传热的数值模拟方法可以较好地模拟混合发动机工作过程,为进一步开展混合发动机的工程研究奠定基础。
【关键词】：固液发动机 内弹道 退移速率 热耦合 PDF燃烧模型 数值模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V436
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 研究现状10-13
• 1.2.1 固液发动机的应用10-11
• 1.2.2 燃烧室内流场数值仿真11-12
• 1.2.3 燃料退移速率的模拟表述12-13
• 1.3 本文的主要研究内容13-15
• 2 固液发动机理论性能及内弹道分析15-30
• 2.1 化学平衡计算模型15-23
• 2.1.1 状态方程15
• 2.1.2 最小Gibbs自由能15-18
• 2.1.3 Gibbs迭代方程18-19
• 2.1.4 热力学偏导数19
• 2.1.5 温度偏导数19-20
• 2.1.6 压强的偏导数20-21
• 2.1.7 平衡组分的求解21-23
• 2.2 发动机性能参数的计算23-26
• 2.2.1 性能参数计算的假设23
• 2.2.2 性能参数计算23-24
• 2.2.3 化学平衡假设下性能参数计算过程24-26
• 2.3 性能计算估计26-27
• 2.4 内弹道计算27-29
• 2.4.1 燃面退移速率公式29
• 2.4.2 室压和推力29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 固液发动机数值仿真分析30-64
• 3.1 固液发动机的工作原理30
• 3.2 数值仿真方法30-40
• 3.2.1 物理模型31-32
• 3.2.2 控制方程32-33
• 3.2.3 湍流模型33-34
• 3.2.4 计算方法34-36
• 3.2.5 燃烧模型36-37
• 3.2.6 边界条件37-38
• 3.2.7 固体燃料表面38-40
• 3.3 模型的算例验证40-42
• 3.3.1 算例140-41
• 3.3.2 算例241-42
• 3.4 二维发动机仿真42-54
• 3.4.1 几何模型42-44
• 3.4.2 网格生成44
• 3.4.3 边界条件的确定44-45
• 3.4.4 指定退移速率、κ-ω模型的计算结果45-47
• 3.4.5 UDF耦合壁面传热、κ-ω湍流模型、有限速率反应燃烧模型47-50
• 3.4.6 UDF耦合壁面传热、κ-ω湍流模型、PDF模型50-54
• 3.5 计算模型的对比分析54-56
• 3.5.1 燃烧模型对比54-55
• 3.5.2 指定退移速率与UDF燃面耦合传热的对比55-56
• 3.6 发动机三维数值模拟56-62
• 3.6.1 初始时刻的流场58-60
• 3.6.2 肉厚燃烧15mm后的流场60-62
• 3.7 本章小结62-64
• 4 基于数值模拟的内弹道计算和结构设计64-76
• 4.1 内弹道计算与数值仿真模拟参数分析64-69
• 4.1.1 内弹道程序计算64-65
• 4.1.2 内弹道数值仿真模拟65-66
• 4.1.3 参数分析66-69
• 4.2 结构对内弹道参数影响69-75
• 4.2.1 喉部直径69-71
• 4.2.2 补燃室长度71-75
• 4.3 本章小结75-76
• 5 结论76-78
• 5.1 本文的主要成果76
• 5.2 本文的主要特色及创新点76
• 5.3 进一步的工作和建议76-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

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本文编号：695453