固液混合火箭发动机点火过程数值模拟研究

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固液混合火箭发动机将固体燃料和液体氧化剂结合,具有安全性好、成本较低、可重复启动、推力易调节等优点,已逐渐成为一种重要的化学推进动力装置。固液混合火箭发动机点火过程涉及多场多相耦合流动、传热及湍流燃烧,整个非定常过程极为复杂,试验研究难度大且成本高。本文以一氧化二氮/端羟基聚丁二烯(N2O/HTPB)固液混合火箭发动机为研究对象,结合理论分析手段和数值模拟方法,从发动机点火过程流场分析、点火瞬态特性、关机及二次点火性能等方面对固液混合火箭发动机点火过程进行了系统研究,为固液混合发动机点火系统设计提供重要理论参考。通过对固液混合火箭发动机点火过程中燃烧室内流动、传热、蒸发、着火和燃烧等物理过程进行理论分析,建立了N2O/HTPB固液混合火箭发动机点火过程数学模型和数值计算方法,对发动机点火过程开展了数值模拟研究,与试验结果的对比验证表明本文建立的数学模型和数值计算方法可靠性较高。基于固液混合火箭发动机点火性能评价指标,计算分析了点火药量、点火时序以及氧化剂质量流量对发动机点火性能的影响。结果表明,点火时序以点火器启动相比氧化剂喷注延后时间越小越好;点火药量增大可提高升压速率,减小点火延迟时间,同时会显著增大点火压力峰值和压力振荡幅值。氧化剂流量对发动机工作状态和点火过程均有影响,当氧化剂流量过小时,发动机无法正常工作;随着氧化剂质量流量逐渐增大,发动机稳定工作压力逐渐增大,点火压力峰值也逐渐增大,固体燃面初始着火点前移,点火延迟时间变化较小。对固液混合火箭发动机关机及二次点火过程进行了数值分析。结果表明,发动机关机响应迅速,极短时间内燃烧室压力降至外界压力,同时发动机推力降为零。发动机关机后较短时间内燃烧室内温度较高,且气体燃料含量较多时,重新喷注氧化剂即可重启发动机;发动机关机较长时间后重启发动机需要额外输入点火能量辅助启动,燃烧室初温较高时,点火延迟时间略有减小。
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