边界层控制方法降低喷管喉衬烧蚀研究

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1、论文类型理论研究密级非密编号____________学位论文边界层控制方法降低喷管喉衬烧蚀研究学位申请人姓名：王立武指导老师姓名及职称陈林泉研究员学位类别硕士专业名称航空宇航科学与技术论文提交日期2015.03.26论文答辩日期2015.03.30学位授予单位航天动力技术研究院答辩委员会主席鲍福廷教授评阅人鲍福廷教授来平安研究员2015年3月26日原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获

2、得航天动力技术研究院或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日关于学位论文使用授权说明本人了解航天动力技术研究院有关保留、使用学位论文的规定，即航天动力技术研究院有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；航天动力技术研究院四院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、压缩或其它手段保存学位论文；航天动力技术研究院可根据国家或陕西省有关部门规定递交学位论文。作者签名：日期：年月日摘要摘要高性能固体发动机采用高压强和新型高能推进

3、剂技术，在提高发动机性能的同时，会使喷管喉衬的烧蚀率急剧增大。开展喉衬烧蚀机理研究、找到降低喉衬烧蚀的有效方法对未来固体火箭发动机的发展具有重要意义。本文基于目前的耐烧蚀喉衬材料，从创新设计方法入手，提出采用边界层控制方法技术，通过对喷管喉衬进行边界层控制，降低喉衬表面气体的温度和氧化组分气体的浓度，从而降低喷管喉衬的烧蚀。喷管喉衬的表面温度和壁面氧化组分气体的浓度直接影响喉衬的烧蚀率，通过分析这两个关键因素对喉衬烧蚀的影响规律，获得了降低喉衬烧蚀率的有效途径。通过烧蚀机理分析，阐明了边界层控制方法降低喉衬表面温度和壁面氧化组分气体浓

4、度的机制，证明了该方法降低喉衬烧蚀的有效性，从烧蚀机理方面分析了边界层控制方法降低喉衬烧蚀的可行性。基于标准k两方程模型，使用标准壁面函数，建立了适用于采用边界层控制方法技术的喷管内流场数值模型，能够模拟低温富燃气体与高温燃气之间的复杂掺混过程。基于石墨喉衬材料的烧蚀特性，建立了喷管喉衬的热化学烧蚀模型，喉衬材料内部的温度场采用非稳态固相热传导方程求解，壁面气体与喉衬表面之间采用能量方程进行衔接，在喉衬材料表面考虑了氧化组分气体的浓度边界层，并考虑了喉衬材料表面烧蚀的瞬态退移过程，应用MATLAB软件编写了喉衬烧蚀率的计算程序，能

5、够对喉衬材料的烧蚀率进行预测。采用数值方法对边界层控制方法中低温富燃气体的喷射条件进行了参变量研究，比较了不同参变量降低喉衬表面气体温度和壁面氧化组分气体浓度的效果，获得了低温富燃气体的喷射质量、喷射位置、喷射温度和喷射口数量对边界层控制方法的影响规律：在一定范围内，随着喷射质量和喷射口数量的增加，降低喉衬烧蚀的效果更好；随着喷射位置的减小和喷射温度的下降，降低喉衬烧蚀的效果更好。应用编写的喉衬烧蚀率计算程序，计算了采用边界层控制方法前后喉部烧蚀率的变化规律。烧蚀率计算结果表明，对于本文的数值模型，在优化的低温富燃气体喷射条件下，喉部

6、的烧蚀率下降了近80%，从理论方面证明了边界层控制方法降低喉衬烧蚀的有效性。为了验证边界层控制方法理论分析的正确性与可行性，根据边界层控制方法的原I航天动力技术研究院硕士学位论文理，基于目前“喉衬抗粒子剥蚀实验系统”的实验条件，设计了边界层控制方法的实验验证喷管，确定了喷管喉部直径、扩张比、内型面等参数，并对实验的设计难点进行了重点分析。利用该实验喷管进行了验证实验，获得了喷管喉部的烧蚀率。采用边界层控制方法后，喉部烧蚀率下降了57.71%，从实验角度证明了采用边界层控制方法技术降低喉衬烧蚀的有效性。关键词：固体火箭发动机；喷管喉衬；

7、烧蚀；边界层控制方法IIABSTRACTABSTRACTThehighperformancesolidrocketmotors(SRM)adoptaseriesofadvancedtechnology,suchashighpressuretechnologyandnewtypehigh-energypropellant.TheperformanceofSRMisadvanced,whiletherecessionofnozzlethroatwillbeincreasedtoanextremeextent.Soitissignifica

8、nttoinvestigatenozzleerosionmechanismsandfindeffectivemethodstocontrolnozzlethroaterosion.Basedonthethroatmate