级间通道构型对小型双脉冲发动机燃烧室内两相流的影响

时间：2020-12-08 20:09:08　来源：雅意学习网本文已影响人

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　　摘要：为研究级间通道构型对小型双脉冲发动机燃烧室两相流的影响，气相采用SIMPLE算法和k-ε模型，两相流采用PSIC算法和离散相模型，对小型双脉冲固体火箭发动机内流场进行了详细的计算。结果表明，级间孔径的大小对流场影响很大。级间孔与燃烧室的直径比值影响粒子对级间结构和喷管收敛段的撞击及速度。级间开孔角度越大，再附着点的位置变化不大，但一脉冲内主流气体的速度越大。气固两相耦合的情况下，一脉冲燃烧室内的粒子速度也会增大。
　　关键词：小型双脉冲发动机；级间通道；构型；两相流；数值模拟
　　中图分类号： V435文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）05-0045-05
　　Abstract： In order to study the effects of interstage pulse channel configurations on twophase flow in combustion chamber of small dualpulse motor， the SIMPLE algorithm and kε model are used as gas phase， PSIC algorithm and discrete phase model are used as twophase flow， the internal flow field of a small dualpulse motor is calculated in detail. The results show that the diameter of the interstage channel has a great influence on the flow field， the ratio of the interstage ports and the combustion chamber diameter affecfs the impact and velocity of the particle on the interstage ports and nozzle convergent section. As the channel angle increases， the position of the reattachment point has no significant change， but the velocity of main flow which is in first pulse combustion chamber increases. In the case of gassolid twophase coupling， velocity of the particle which is in first pulse combustion chamber increases too.
　　Key words： small dualpulse motor； interstage pulse channel； configuration； twophase flow； numerical simulation
　　0引言
　　固体火箭发动机具有结构简单、易于组装、安全可靠、故障率低、研制风险小、任务适应性大[1]等优良特性。但与液体火箭发动机相比，其在控制方面还缺乏灵活性，使得在航天器动力方面的应用受限。多脉冲固体火箭发动机因能多次启动，使其相较于常规固体火箭发动机来说，具有更为灵活的操控性。如果将其小型化并应用于航天方面，将会为未来小型航天器提供一种结构简单且控制灵活的动力装置。
　　国内外现在主要研究的是双脉冲固体火箭发动机，其结构相对简单，且具有良好的性能指标[2]。国外已经进行了较长时间的研究，并已投入到实际应用中，如美国SM-3导弹，德国LFK-NG导弹、 HFK2000导弹等[3-4]。国内研究开展的较晚，但也已经取得了一定的成果，其中，陈国胜、王春光、王伟等[5-7]对双脉冲固体火箭发动机的隔板材料进行了研究；朱卫兵、孙娜等[8-9]分别对双脉冲固体火箭发动机级间孔径对气相流场的影响及不同粒径下发动机内两相流和两相流下对双脉冲发动机内壁面烧蚀情况进行了一定的研究，但未考虑级间结构对两相流的影响；李映坤等[10]则仅对不同级间构型下气相内流场壁面烧蚀情况进行了研究。
　　双脉冲固体火箭发动机主要分为隔舱式和隔层式，其中隔舱式由于采用的是硬隔离，因此会在一、二燃烧室间形成级间结构，当二脉冲燃烧室内气流通过级间结构进入一脉冲燃烧室时，一脉冲燃烧室内部会形成后台阶流动，从而在级间结构后方形成涡旋，甚至会形成更危险的再附着线或激波。文献[11-13]指出，燃烧室内涡旋区域，特别是再附着点处，对流换热系数大大增加，使得这一区域的烧蚀情况相较于其他区域更为严重。同时，为了提高发动机性能，往往在推进剂中添加铝粉，在推进剂燃烧后，燃气会裹挟着Al2O3颗粒冲蚀发动机内部壁面，进一步恶化壁面烧蚀情况。
　　本文采用SIMPLE算法，选用标准k-ε模型，两相流耦合采用PISO算法，颗粒相采用离散相模型，对小型双脉冲固体火箭发动机内流场进行了详细的计算，分析出级间结构对双脉冲发动机内部两相流的影响。
　　1数学模型
　　航空兵器2016年第5期陈子豪等：级间通道构型对小型双脉冲发动机燃烧室内两相流的影响1.1基本假设
　　采用二维轴对称模型，为计算方便，对发动机进行了一定简化，并作以下假设：
　　（1）不考虑化学反应和辐射；
　　（2）不考虑粒子的燃烧、蒸发、破碎及反应；

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