井下发射过程燃气射流流场研究

发布时间：2017-10-05 09:17

  本文关键词：井下发射过程燃气射流流场研究

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【摘要】：火箭在井下发射过程中，火箭发动机喷出的高温高速燃气流会对发射井内设施造成严重的热冲击和动力冲击作用，通过对井内燃气射流的流动进行研究，实现对发射井建设或防护提供必要的理论支持。 1.建立了火箭-发射井模型，研究了某型火箭发射过程对发射井内环境的影响。发射井处于封闭状态，底部设有导流槽，燃气射流只能从导流槽向外排出，未能被及时排导的燃气将在井内聚集造成井内温度与压力的升高；井下发射过程中，发射井内空间较为狭小，高温高压射流靠近发射井井壁，燃气射流对发射井的影响较大。 2.研究了包含组分输运模型的燃气射流计算结果情况。对包含/不包含组分输运模型两种工况进行了仿真，分析了组分输运模型对仿真结果的影响，发现粘性、密度、比热等气体参数的差异对射流流场会造成较大的影响，得出了在对井下燃气射流流动进行数值计算时，需采用组分输运模型的结论。 3.研究了不同角度下、不同离散格式下燃气射流对发射井内计算结果的影响。由于该火箭发动机喷管在发射过程中会出现摆动用以调整火箭姿态。研究该问题的过程中使用了射流处于起始安装角（小角度）和10度角（大角度）两种工况进行分析；使用了一阶迎风格式、二阶迎风格式和QUICK格式，对不同角度下射流流场进行对比。对于射流与轴线呈不同夹角情况而言，射流在发射井内的流动形式出现了明显的差异，且由于井内空间狭小，射流与井壁的距离较近，因此当射流与轴线的角度出现较小改变时，各测点数据将出现较大变化；对于离散格式而言，由于一阶迎风格式存在数值扩散的现象，采用一阶迎风格式会造成流场的计算出现较大误差。二阶迎风格式和QUICK格式虽然无法完全避免出现数值粘性的问题，但可以有效减少数值误差，两种格式的计算结果较为接近；QUICK格式由于采用曲率修正，在井口处测点有更好的表现。 4.研究了不同湍流模型对井内燃气射流流场计算结果的影响，分析了各湍流模型之间数值计算结果的差异，研究了产生差异的主要原因。使用不同湍流模型对燃气射流的流动模式改变不大，对局部流动的强度有一定影响。通过对比分析，判断了对于类似工程问题更适宜使用的湍流模型。 5.研究了复燃对井下发射燃气射流计算结果的影响，使用了两种角度射流的工况分别使用复燃模型进行仿真，与不使用复燃模型工况的仿真结果进行了对比。区别主要体现在射流对各测点造成影响的初期，复燃作用较为明显，随着氧气的消耗，，复燃现象逐渐减弱。 6.对实验进行整理和分析，并将分析结果与仿真结果进行对比。研究了试验数据之间存在较大差异的原因，并对仿真模型进行了验证，对各次实验过程中燃气射流的流动形式进行了判断。
【关键词】：井下发射 燃气射流 离散格式 湍流模型 复燃 流场
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V553.12;V430
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 本论文研究的目的和意义12-14
• 1.2 国内外相关领域研究现状及发展趋势14-24
• 1.2.1 燃气射流数值模拟14-19
• 1.2.2 误差分析19-20
• 1.2.3 离散格式20-22
• 1.2.4 湍流模型22-23
• 1.2.5 复燃流场计算23-24
• 1.3 本文主要研究内容24-25
• 1.4 论文章节安排25-28
• 第2章 井下发射燃气射流流场理论模型研究28-45
• 2.1 物理模型28-43
• 2.1.1 流动控制方程29-30
• 2.1.2 组分输运方程30-31
• 2.1.3 离散格式31-33
• 2.1.4 湍流模型33-37
• 2.1.5 化学反应模型37-40
• 2.1.6 动网格技术40-43
• 2.2 计算方法43-44
• 2.2.1 流场计算方法43
• 2.2.2 火箭运动规律43
• 2.2.3 计算收敛条件43-44
• 2.3 本章小结44-45
• 第3章 组分输运模型对井下发射射流流场计算结果的影响45-59
• 3.1 模型验证45-47
• 3.2 仿真模型说明47-49
• 3.2.1 计算域说明47-48
• 3.2.2 边界条件48-49
• 3.2.3 初始条件49
• 3.2.4 算法说明49
• 3.3 仿真结果分析49-57
• 3.3.1 整体流动模式分析49-50
• 3.3.2 两种工况对比分析50-57
• 3.4 本章小结57-59
• 第4章 离散格式对井下发射射流流场计算结果的影响59-97
• 4.1 一阶精度下不同角度燃气射流对井内流动的影响59-72
• 4.1.1 仿真模型59-60
• 4.1.2 仿真结果分析60-64
• 4.1.3 两种工况流动情况对比64-71
• 4.1.4 本节总结71-72
• 4.2 起始偏转角工况下离散格式对计算的影响72-82
• 4.2.1 仿真模型72
• 4.2.2 仿真云图对比72-76
• 4.2.3 仿真数据对比76-81
• 4.2.4 本节总结81-82
• 4.3 10 度工况下各种离散格式对计算的影响82-90
• 4.3.1 仿真模型82
• 4.3.2 仿真云图对比82-85
• 4.3.3 仿真数据对比85-90
• 4.3.4 本节总结90
• 4.4 使用 QUICK 格式后起始安装角工况和 10 度工况对比分析90-94
• 4.4.1 仿真数据对比91-94
• 4.4.2 本节小结94
• 4.5 本章总结94-97
• 第5章 湍流模型对井下发射燃气射流流动计算结果的影响97-106
• 5.1 仿真模型97
• 5.2 三种湍流模型各参数云图对比97-101
• 5.2.1 realizable-RNG 模型云图对比97-99
• 5.2.2 RNG 与 sst 模型云图对比99-101
• 5.3 仿真数据对比101-105
• 5.4 本章小结105-106
• 第6章 复燃对井下发射燃气射流流场计算结果的影响106-119
• 6.1 起始安装角度下复燃对流场的影响106-113
• 6.1.1 计算模型106
• 6.1.2 仿真云图对比106-108
• 6.1.3 仿真数据对比108-112
• 6.1.4 本节总结112-113
• 6.2 10 度角度下复燃对流场的影响113-117
• 6.2.1 计算模型113
• 6.2.2 仿真云图对比113-114
• 6.2.3 仿真数据对比114-117
• 6.2.4 本节总结117
• 6.3 本章总结117-119
• 第7章 实验与仿真计算分析119-129
• 7.1 实验数据分析119-122
• 7.1.1 实验情况119-120
• 7.1.2 实验数据分析120-122
• 7.2 实验与仿真结果对比122-127
• 7.3 本章小结127-129
• 第8章 结论与展望129-132
• 8.1 本文研究总结129-130
• 8.2 本文创新点130-131
• 8.3 进一步工作展望131-132
• 参考文献132-144
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单144-146
• 致谢146

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：975982