大负载比气固两相流喷管参数研究及通道形状优化

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传统的固体火箭发动机喷管两相流的负载比一般低于30%,在研究喷管效率时,可按照两相平衡流的方法进行计算并附以修正,传统的喷管设计理论在考虑两相流修正的情况下可以获得理想的结果。而对于大负载比气固两相流,平衡流假设与实际情况不符,大负载比两相喷管流近乎等温流。喷管内热力参数和流动规律的研究是开展喷管设计和获得最大推进效能的关键。大负载比气固两相流的研究有待于深化。   本文应用非结构化四边形自适应网格建立喷管模型,应用有限体积法求解差分方程。使用HLL格式计算气相的界面矢通量;分别使用HLL格式及Steger-Warming格式计算颗粒相的界面矢通量,并对两种格式的计算结果进行了比较分析;使用时间步分裂法求解守恒方程,使用二阶龙格库塔法进行时间步进。分别建立两相流动无粘、层流和湍流三种模型,求解并分析了三种模型的差异。数值计算得到了不同负载比下、大负载比下不同颗粒直径、大负载比下不同喷管扩张角下的两相运动规律。初步推导了两相近似等温思想下的推力计算公式,并与沿壁面数值积分计算结果、应用等熵推力公式计算结果进行对比分析。发现在大负载比下某一较大的颗粒直径范围内,近似等温流思想推力计算结果比等熵公式计算结果与实际推力更好的符合。通过对比不同扩张角下的推力与发动机初始质量的比值,得到了优化的扩张角,可以为大负载比下发动机的实际设计提供可行性建议。
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