固体火箭发动机点火瞬态相关问题数值研究

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固体火箭发动机的点火瞬态过程极其复杂,最容易发生异常导致发动机点火性能不理想或发射失败,甚至会出现更为严重的爆炸事故,开展点火瞬态过程的数值仿真研究具有很强的工程应用背景和实际意义。本文应用计算流体力学软件FLUENT针对发动机点火瞬态相关问题的两个方面进行了数值研究。从工程应用出发,针对长通道内外燃管型装药固体火箭发动机,采用计算流体力学软件FLUENT的源相法和UDF(用户自定义函数)技术对点火瞬态过程进行了轴对称数值研究,研究了点火瞬态过程的流动状态和流场参数变化,获得了发动机头部压强-时间曲线,并通过点火控制技术对点火方案进行了优化。研究结果表明,数值计算获得的发动机头部压强-时间曲线与试验曲线吻合较好,优化方案可明显降低点火延迟时间,可为发动机下一步的点火改进设计和试验提供参考。针对含潜入式喷管固体火箭发动机的点火升压初始阶段,在喷管堵盖尚未打开的情况下,对发动机非线性、非定常的点火增压过程进行了数值研究,分析了点火冲击波的形成机理和装药表面的压力振荡情况,研究了潜入式喷管引入的空腔体积以及点火器出口压强对装药表面压力振荡的影响。随后以点火增压过程的流场参数作为装药裂纹入口的边界条件,数值模拟了点火冲击波绕射裂纹的非定常过程,研究了激波在裂纹内的传播规律,探讨了裂纹几何形状对超压的影响。研究结果表明,点火冲击波造成的压力振荡在发动机头部和背部容腔内表现最为剧烈,升压梯度远大于正常点火的升压梯度值;压力峰值和升压梯度峰值随空腔体积的增加而递减,随点火器出口压强的增加而递增;裂纹顶端是应力集中区,最易发生裂纹扩展;裂纹几何形状对裂纹内超压具有重要影响,三角形裂纹比矩形裂纹更容易在裂纹顶端产生应力集中,为裂纹的扩展提供了可能。
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