基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟

《基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报Apr．252017V01．38No．4ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．CRDOI：10．7527／SLOOO一6893．2016．0212基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟李映坤1，韩琚礼1’2，陈雄1’”，周长省1，巩伦昆11．南京理工大学机械工程学院，南京2100942．北京机电研究所，北京100083摘要：为研究双脉冲固体火箭发动

2、机Ⅱ脉冲点火瞬态过程，发展一套多物理场耦合求解器。流体控制方程基于有限体积法求解，时间推进采用双时间步LU—SGS(LowerUpperSymmetricGuassSeidel)方法；固体推进剂表面温度基于耦合传热方法计算；结构动力学运动方程基于有限元方法离散，采用经典的Newmark格式进行时间推进，流固耦合采用松耦合算法，并通过算例验证求解器的可靠性。计算结果表明：该求解器能够数值模拟Ⅱ脉冲启动过程中的点火药气体冲击、燃气非定常流动及金属膜片机械响应过程，获得金属膜片的破裂时间和压强；且随着点火质量流率增加，推

3、进剂装药首次点燃时间和金属膜片破裂时间变短，膜片破裂压强降低；金属膜片破裂时间和压强不仅与作用在其表面的压强载荷大小相关，而且与压强载荷加载的过程相关；金属膜片厚度越薄，膜片破裂时间越短，膜片轴向位移越大，膜片破裂压强越低。关键词：多物理场耦合；流固耦合；耦合传热；点火；双脉冲发动机；固体火箭发动机；数值模拟中图分类号：V235文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)04—120409—12双脉冲固体火箭发动机(以下简称双脉冲发动机)由两级燃烧室组成，两级燃烧室之间由脉冲隔离装置连接，且共用一个喷管，

4、两级脉冲点火时间间隔可以根据战术指标进行调整。与传统的固体火箭发动机相比，双脉冲发动机具有可多次点火、提供不连续推力、推进系统能量可控等优点[1]，是现有飞行系统中的一种先进动力装置。脉冲隔离装置是双脉冲发动机的关键部件之一，各国学者对不同类型的脉冲隔离装置进行了全面系统的研究。Nishii[2]、Carrier[3]、Dahlc4I、Wang[引、Schilling[63和Stadler[7]等分别针对隔塞式、陶瓷舱盖式、金属膜片式、软质隔层式脉冲隔离装置展开深入研究，并对其工作特性进行实验验证。其中，金属膜片式

5、脉冲隔离装置兼具有结构设计简单、研制周期短和可靠性高等优点，在国内外被广泛应用，其结构简图如图1所示，该发动机由金属膜片式脉冲隔离装置、两级脉冲点火具、两级燃烧室、两级固体推进剂装药和喷管组成。Pulseseparationdevice(PSD)Nozzleassembl、图1双脉冲发动机结构简图Fig．1Schematicdiagramofdualpulsemotor收稿日期：2016-05—09：退修日期：2016—06—20；录用日期：2016-07—17；网络出版时间：2016—08·0110：34网络出版

6、地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201608011034．002．html基金项目：江苏省普通高校学术学位研究生科研创新计划(KYZZl5_0113)*通讯作者．E-mail：chenxiong@njust．edu．CR弓l角格武t李映坤，韩瑶礼．睬雄。等．基于多物理场耦合的双棘冲发动机点火过程数值模拟￡J]i航空学报．2017，38(4)；120409．LIYK，HANJL，CHENX，eta1．Numericalsimulationoftheignitiontransi

7、entofdualpulsemotorbasedonmulti-physicscoupling￡J]．ActaAeronauticaetAstronauticaS&ica．2017。38(4)：120409120409．1航空学报金属膜片式脉冲隔离装置主要由支撑件、金属膜片和隔热层组成。为控制金属膜片破裂时间和压强，膜片一侧一般设置有缺陷槽。近年来，国内外学者相继对金属膜片式双脉冲发动机工作过程进行了仿真和实验研究。Javed等口3对双脉冲发动机工作过程中三维内流场进行了数值模拟，分析速度、压力和温度沿着轴线的分布

8、；孙娜等-9一指出由于脉冲隔离装置的存在，使得燃气流在I脉冲燃烧室内出现后台阶流动，气流发生分离再附着过程，气流再附着点附近为绝热层烧蚀较为剧烈的部位；王春光等¨”。设计一种金属膜片式隔舱结构，基于ABAQUS商业软件，利用脆性断裂模型模拟了膜片的破坏过程，并将有限元数值计算结果、理论公式计算结果和单项实验验证结果进行对比；石瑞等[11]提出了含缺陷槽铝膜隔