论文摘要：基于非结构网格的固体火箭发动机三维两相流场计算

 

固体推进剂火箭发动机具有简单可靠的特点，被广泛应用于军事领域。为缩短研制周期提高设计水平，以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics-CFD)为核心的数值模拟成为了固体火箭发动机研发过程中的重要手段。

现代固体火箭发动机装药几何形状呈明显的三维特征，使燃面边界及相应的内流场亦具有三维性质。以往模拟所采用的结构化网格难以勾勒复杂型面，而在二维或部分三维模型假设下的求解无法全面地描述发动机内部三维流动。与此同时，包含燃烧室及喷管的发动机内统一流场为典型的全流速问题，迭代矩阵呈病态。以往求解此类问题所采用的简单迭代法，难以在全三维情况下应用。现代固体推进剂中多加入金属铝，用以增加推进剂能量并降低发动机不稳定性，这使得包含气相及金属氧化物颗粒的两相流动成为了固体火箭发动机内流场的典型特点。目前，美国、法国等科技发达国家已研发出了综合考虑固体火箭发动机内部复杂工作过程的流场仿真程序，但在国内少有见到应用自己开发的非结构网格软件求解全三维固体火箭发动机复杂燃烧流场的案例。

本文的研究围绕固体火箭发动机燃烧室与喷管内统一流场数值计算展开，编写了一套适用于复杂型面固体火箭发动机内部流场计算的仿真程序。为适应当前复杂型面固体火箭发动机仿真需求，该程序以非结构化网格为基础，采用可压缩形式下的SIMPLEC算法求解有限体积法离散后的Navier-Stokes方程组，通过Green-Gauss公式及最小二乘法计算界面边界处的原始变量梯度，应用Venkatakrishnan限制器抑制高阶插值时解在大梯度区域内可能产生的振荡，最终以ILU-BiCGStab迭代法及代数多重网格方法求解离散后的各方程，用以模拟固体火箭发动机燃烧室与喷管内全流速问题。通过求解方腔流动、不同来流马赫数下的凸包流动、平面喷管及Star-48固体火箭发动机内部流动验证了程序的有效性。

为解决全三维情况下发动机内部流场求解的收敛降速问题，将代数多重网格方法引入到发动机仿真程序，求解经有限体积法离散后的压力校正方程，大大提高了仿真程序的求解效率及稳定性。采用基于Lagrangian坐标下的颗粒轨道模型模拟固体火箭发动机内部气粒两相流动，并考虑颗粒破碎、气相与颗粒相间相互作用等问题。通过计算对比，验证了程序模拟固体火箭发动机三维两相流场的有效性。

在经过一系列发动机内部流场模拟与验证后，最终将仿真程序应用于一过载状态下双燃速星型药柱固体火箭发动机三维两相流场数值计算，用以研究过载对发动机内部流场的影响。采用受限平衡模型模拟固体火箭发动机内部的化学反应过程，并以级差与多项式拟合相结合的方法快速求解燃气化学平衡组分及热力学参数。首先，考虑过载作用对推进剂燃速的影响，应用燃速增大模型计算了不同加速度载荷下的推进剂燃速。随后，考虑过载对金属氧化物颗粒的作用，模拟了简单固体火箭发动机内部单一颗粒在不同载荷作用下的运动轨迹，分析了过载对颗粒相的影响。最后，将上述过载状态下的模型应用于双燃速星型药柱固体火箭发动机三维两相流场数值仿真，在分析发动机工作初期有无过载状态下内流场的基础上，结合发动机实际工况，着重研究了过载状态下发动机工作中、后期内部颗粒分布，较为系统的分析了过载作用对复杂型面下固体火箭发动机内部流场的影响。

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