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固体火箭发动机点火过程与装药裂纹相互作用机理研究

葛爱学  
【摘要】:固体火箭发动机的内部工作过程极其复杂,几十年来,通过大量理论和实验研究,对固体火箭发动机正常工作过程已有了较为深刻的了解,一些对工程设计具有重要指导意义的数学模型和设计规范已逐步建立和完善。然而,浇注式固体火箭发动机在固化冷却、长途运输、长期储存、勤务处理和发射准备期间,药柱内可能产生裂纹、气泡和脱粘等各种缺陷,这些缺陷会导致发动机工作时(尤其是点火瞬间)燃烧面积异常,从而使发动机内弹道工作参数偏离设计值,严重时甚至造成发动机爆炸的恶性事故。因此,开展对装药含缺陷的固体火箭发动机工作过程进行深入研究,建立一套有效的固体火箭发动机质量评判准则和体系,是目前国内外研究的前沿和热点之一。 本文通过对固体火箭发动机点火动力学过程的理论分析和数值模拟,开展固体火箭发动机点火增压过程与装药裂纹相互作用机理的研究,深入研究点火过程中装药裂纹内部微观动力学特性及其对发动机宏观内弹道特性的影响规律。研究成果和方法对开展装药中气泡、脱粘等缺陷研究同样适用,它对于深入揭示包含有装药缺陷的固体火箭发动机动力学特性具有重要意义,为进一步开展含缺陷装药破坏机理研究和建立固体火箭发动机质量评判准则奠定了坚实的技术基础。 本文主要研究内容如下: 1.通过对固体火箭发动机装药缺陷问题研究历史和最新进展的综述和分析,阐明了装药中的裂纹是造成发动机工作失效的最重要缺陷之一,而点火增压过程的非线性、非定常流动现象是造成装药裂纹扩展的最重要因素之一,因此,深入研究点火增压过程与装药裂纹相互作用的物理机理,对合理建立固体火箭发动机质量评判准则具有非常重要的意义。基于这一认识,提出了从固体火箭发动机点火过程的流体动力学特征入手,开展固体火箭发动机装药缺陷问题研究的新思路。分析了现有实验和计算手段开展这一问题研究的局限性,首次提出了将发动机宏观内流场模拟与装药裂纹内的微观流场模拟相结合的研究方案,该方案既可以对含裂纹固体装药的破坏机理进行研究,又可以将其结果直接应用于固体火箭发动机质量评判。 2.运用数值模拟方法开展固体火箭发动机装药缺陷问题研究。采用包含湍流、两相流和化学非平衡流模型的N-S方程,应用能够方便地处理湍流、两相流和化学非平衡流模型的统一离散方法编制了计算软件;在化学非平衡流动计算方面提出了解耦算法,有效解决了计算过程中的刚性问题,该算法还具有公式推导简单和调整反应动力学模型方便等优势;两相流动计算采用基于粒子仿真方法的颗粒轨道模型;湍流计算模式采用κ-ε模型。在此基础上通过与其它计算和试验结果的比较,对软件的可靠性进行了验证,表明这一软件可以作为点火增压过程与装药裂纹相互作用机理研究的工具。 3.点火增压过程的宏观流动特性及其对发动机工作过程的影响研究。针对大型内孔


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