燃气流量可调固体火箭冲压发动机动态响应过程研究

论文摘要

新一代导弹对高性能动力装置的需求促进了燃气流量可调固体火箭冲压发动机（流量可调固冲发动机）的发展,但目前的研究成果尚不足以帮助人们清晰理解流量可调固冲发动机的工作过程,尤其是燃气流量调节中的参数动态响应过程,仍需进一步深入研究。本文主要通过理论分析和数值模拟的方法对流量可调固冲发动机的动态响应过程进行研究。通过理论分析,确定了流量可调固冲发动机流量调节过程中的负调现象的物理机理,从理论上回答了负调为何发生、何时发生、何时终止以及受何因素影响等问题,建立了负调理论。提出并定义了燃气流量调节临界喷喉面积变化率的概念。给出了临界喷喉面积变化率、负调持续时间、负调量和参数响应时间的理论计算方法。编程计算了不同喷喉面积变化速率的调节过程,计算结果验证了负调理论。燃气流量调节试验样机的试验结果也表明了本文负调理论相关内容的正确性。基于ALE描述的包含多组分化学反应的N-S方程,通过在成熟软件上的二次开发建立了流量可调固冲发动机动态响应过程数值模拟方法,该方法的正确性得到了一维稀疏波传播问题解析解和燃气流量调节试验结果的验证。开展了机械阀门式流量可调固冲发动机非稳态工作过程的数值模拟。计算了典型调节过程,分析了调节过程中发动机内部的流场结构变化和参数的动态响应情况。建立了流量可调固冲发动机动态响应过程评价体系,以该评价体系为指导计算并分析了阀门作动速度、阀门作动形式、推进剂燃速压强指数、调节尺度和燃气发生器自由容积对动态响应过程的影响。相关计算结果进一步验证了本文的负调理论。建立了气动喉道式流量可调固冲发动机的数值模拟方法,利用相关文献的试验结果验证了该方法的正确性。利用该方法开展了气动喉道式流量可调固冲发动机数值模拟研究,分别研究了其稳态调节特性和动态调节特性。计算结果表明,气动喉道确实可以达到改变燃气发生器喷喉面积进而调节燃气流量的目的,但是调节能力有限。分别计算并分析了二次流/主流流量比和二次流喷射角度对稳态调节特性和动态调节特性的影响,得到了相关结论,并证明了本文建立的负调理论对气动喉道式燃气流量可固体火箭冲压发动机也是适用的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外相关研究综述
• 1.2.1 流量可调固冲发动机
• 1.2.2 燃气流量调节方案
• 1.2.3 流量可调固冲发动机动态响应过程
• 1.2.4 流量可调固冲发动机数值模拟
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 流量可调固冲发动机负调特性理论研究
• 2.1 燃气流量可调固冲发动机负调特性的定义
• 2.2 燃气流量可调固冲发动机负调特性理论分析
• 2.2.1 负调发生原因
• 2.2.2 流量可调固冲发动机临界喷喉面积变化率
• 2.2.3 负调持续时间和负调量
• 2.2.4 负调影响因素
• 2.3 负调特性理论分析的算例验证
• 2.4 临界喷喉面积变化率的试验验证
• 2.4.1 试验发动机
• 2.4.2 高精度试车台
• 2.4.3 燃气流量调节试验及结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 数值模拟方法及算例验证
• 3.1 引言
• 3.2 数值模拟方法
• 3.2.1 连续相控制方程
• 3.2.2 动网格计算模型
• 3.2.3 几何守恒律（GCL）
• 3.2.4 湍流模型
• 3.2.5 燃烧模型
• 3.2.6 近壁面函数
• 3.2.7 边界条件
• 3.3 算例校验
• 3.3.1 一维稀疏波传播问题
• 3.3.2 燃气流量调节试验结果
• 3.4 小结
• 第四章 机械阀门式流量可调固冲发动机数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型及网格划分
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 网格划分
• 4.3 典型调节过程分析
• 4.3.1 发动机流场结构变化
• 4.3.2 参数动态响应过程
• 4.4 动态响应过程影响因素研究
• 4.4.1 阀门作动速度对动态响应过程的影响
• 4.4.2 阀门作动形式对动态响应过程的影响
• 4.4.3 燃速压强指数对动态响应过程的影响
• 4.4.4 调节尺度对动态响应过程的影响
• 4.4.5 自由容积对动态响应过程的影响
• 4.5 小结
• 第五章 气动喉道式流量可调固冲发动机数值模拟研究
• 5.1 计算模型与算例验证
• 5.1.1 计算模型
• 5.1.2 算例验证
• 5.2 稳态调节特性研究
• 5.3 动态调节特性研究
• 5.3.1 不同二次流/主流流量比的影响
• 5.3.2 不同二次流喷射角度的影响
• 5.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果