喷管羽流对捆绑式运载火箭底部热环境的影响研究

发布时间：2017-08-27 05:04

  本文关键词：喷管羽流对捆绑式运载火箭底部热环境的影响研究

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【摘要】：发动机羽流会因飞行器底部压强较低而产生返流,对飞行器底部表面进行加热。对于捆绑式运载火箭,芯级火箭发动机羽流与助推器发动机羽流之间存在强烈的交叉干扰,加上芯级火箭与助推器之间缝隙中自由来流的作用,火箭底部会形成复杂的流场,与单独芯级火箭相比,具有更为复杂的温度场分布。底部热环境对底部设备的安全性至关重要,热防护材料既要满足高温环境要求,又要尽可能减少结构重量和成本。火箭底部热环境的地面试验实施困难、成本巨大,随着计算流体力学的不断发展,以及计算机性能的不断提高,数值模拟已经成为研究流场的一种有效手段。本文采用数值模拟的方法对火箭底部热环境进行研究,主要考虑喷管壁面的热传导和喷管羽流的热对流。研究了不同助推器个数、不同助推器与芯级间距离对底部热环境的影响。结果表明,所研究的两个变量都对助推器底部的温度和热流密度影响较大,而对芯级底部的影响较小。4个助推器时,底部热流密度最大值都达到最大。助推器与芯级间距离增大,芯级底部和助推器外侧底部热流密度最大值先增大后减小,助推器内侧底部热流密度最大值则先减小后增大。研究了不同火箭飞行高度、不同火箭飞行速度、不同芯级工作压强对底部热环境的影响。结果表明,火箭飞行条件发生变化时,对助推器底部温度和热流密度的影响都大于对芯级底部的影响。飞行高度增大,火箭底部温度升高,热流密度减小。飞行速度增大,火箭底部径向温度变化幅度减小,温度最大值先减小后增大,热流密度最大值先增大后基本不变。芯级发动机工作压强增大,芯级底部温度最大值升高,助推器内侧底部温度最大值减小,助推器内侧底部热流密度最大值增大,变化幅度都逐渐减小。不稳定燃烧引发了振荡流场,对火箭底部整体影响很小,受影响最明显的是助推器内侧底部中间位置的温度值。沿着轴线方向,从燃烧室头部到喷管出口,轴线和壁面各点温度压强振荡曲线都逐渐变平滑,响应时间延长,振荡频率与燃烧室入口压强振频一致。燃烧室轴线上压强温度振荡幅值随轴线的变化趋势相同,而壁面各点两者变化趋势不同,压强振荡幅值均比温度大一个数量级;横坐标相同时,燃烧室轴线和壁面对应点的压强振幅相差不大,而轴线温度振幅是壁面温度振幅的3倍以上。
【关键词】：捆绑式运载火箭 羽流 温度场 底部加热 热流密度 数值模拟
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V475.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究目的和意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 火箭发动机羽流流场研究进展13-15
• 1.2.2 火箭底部加热研究进展15-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 第2章 数值计算理论基础19-26
• 2.1 热力学计算19-22
• 2.1.1 控制方程的建立19-20
• 2.1.2 控制方程的求解20-21
• 2.1.3 本文热力学计算结果21-22
• 2.2 流场计算22-25
• 2.2.1 控制方程的建立22-24
• 2.2.2 湍流模型的选取24-25
• 2.2.3 控制方程离散化25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 火箭结构对火箭底部热环境的影响26-47
• 3.1 模型建立26-29
• 3.1.1 几何模型27-28
• 3.1.2 网格划分28-29
• 3.1.3 边界条件及参数选择29
• 3.2 助推器个数对火箭底部热环境的影响29-39
• 3.2.1 计算条件30
• 3.2.2 计算结果分析30-38
• 3.2.3 结论38-39
• 3.3 助推器与芯级间距离对火箭底部热环境的影响39-46
• 3.3.1 计算条件39
• 3.3.2 计算结果分析39-45
• 3.3.3 结论45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 火箭工作条件对火箭底部热环境的影响47-72
• 4.1 飞行高度对火箭底部热环境的影响47-55
• 4.1.1 计算条件47-48
• 4.1.2 计算结果分析48-54
• 4.1.3 结论54-55
• 4.2 飞行速度对火箭底部热环境的影响55-63
• 4.2.1 计算条件55-56
• 4.2.2 计算结果分析56-62
• 4.2.3 结论62-63
• 4.3 芯级燃烧室工作压强对火箭底部热环境的影响63-71
• 4.3.1 计算条件63
• 4.3.2 计算结果分析63-70
• 4.3.3 结论70-71
• 4.4 本章小结71-72
• 第5章 发动机不稳定工作对火箭底部热环境的影响72-98
• 5.1 发动机不稳定工作对推力的影响72-77
• 5.1.1 计算条件72-74
• 5.1.2 计算结果分析74-76
• 5.1.3 结论76-77
• 5.2 发动机稳定工作时的流场特性77-83
• 5.2.1 计算条件77-78
• 5.2.2 计算结果分析78-83
• 5.2.3 结论83
• 5.3 发动机不稳定工作时的流场特性83-96
• 5.3.1 火箭底部85-90
• 5.3.2 芯级燃烧室轴线90-92
• 5.3.3 芯级燃烧室壁面92-96
• 5.4 本章小结96-98
• 结论98-101
• 参考文献101-106
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单106-107
• 致谢107

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本文编号：744488