燃烧模型是开展固体推进剂燃烧仿真和性能分析的重要手段。国内外学者已提出了包括BDP、GDF以及PEM在内的各类复合固体推进剂燃烧模型,并广泛地开展了复合固体推进剂燃烧性能研究,获得了一系列有价值的研究成果。但与其燃烧行为相关的许多问题仍未解决,以往大多数关于复合固体推进剂的研究都是从宏观层次对其燃烧特性(如燃速、燃烧波结构)进行评估和测试,其燃烧模型属于唯象模型范畴。然而,复合固体推进剂在细观上具有复杂的三维异质结构,其细观燃烧包括气固耦合、简单或详细的化学反应机理、高温梯度和复杂火焰结构的反应流体力学等诸多复杂的问题。美国先进火箭仿真中心(CSAR)开发的AP/HTPB复合固体推进剂细观燃烧模型区别于传统的唯象模型(BDP、PEM),该模型在考虑复合固体推进剂颗粒级配、空间分布以及各组分配比情况下,可对复合固体推进剂动态燃烧过程进行气固耦合计算。通过该细观模型可以得到气相火焰结构、燃速特性以及气相场相关特性,代表了目前复合固体推进剂燃烧模型的发展方向,具有十分广阔的应用前景。目前,我国在复合固体推进剂细观燃烧模型方向上的研究还未见公开文献报道,与国外研究成果必然存在一定的差距。因此,本文结合试验研究和美国先进火箭仿真中心(CSAR)所开展的AP/HTPB复合固体推进剂细观燃烧模型工作,以高能复合固体推进剂NEPE为研究对象,建立其细观燃烧模型并解决了模型程序实现过程中的若干关键技术问题,以期在细观燃烧模型研究方向上缩小与国外的差距。本文的研究内容主要分为四点,具体如下:(1)复合固体推进剂点火燃烧试验研究搭建推进剂点火燃烧试验系统,开展不含铝颗粒NEPE高能复合固体推进剂点火燃烧试验研究。为得到接近真实火箭发动机工作条件下的推进剂点火燃烧现象,在开窗高压密闭燃烧器内开展相关试验研究。采用高速摄像系统对推进剂点火燃烧过程进行拍摄,分析推进剂点火燃烧过程及气相火焰结构特点,加深对其燃烧过程的认知并为后续建立细观燃烧模型提供相关参考依据。此外,对不含铝固体推进剂还开展了基于超声波法和数字图像法的燃速动态测量研究。(2)燃面铝团聚试验研究铝颗粒可以使推进剂的能量密度、比冲和燃烧温度等参数提高,但同时铝颗粒会在推进剂燃烧表面发生团聚,大尺寸的团聚物会导致推进剂能量特性下降。论文所建立的NEPE高能复合固体推进剂细观燃烧模型目前还未考虑Al颗粒存在的情况。为后续研究含Al颗粒细观燃烧模型及燃面铝团聚模型,论文开展了含Al颗粒NEPE高能复合固体推进剂燃面铝团聚行为试验研究。采用微距镜头和高速相机组合的高速显微拍摄技术,分别在常压及高压两种情况下开展了含Al颗粒NEPE高能复合固体推进剂燃面铝团聚行为试验研究,试验获得了铝颗粒在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧行为过程。研究为后续开展基于数字图像法的团聚尺寸测量及建立高精度、宽适用性的团聚模型提供技术支持。(3)复合固体推进剂颗粒填充几何模型研究复合固体推进剂是一种高填充比颗粒复合材料,氧化剂颗粒及金属颗粒在基体中随机分布,在细观上具有复杂的三维异质结构。推进剂燃烧性能受其异质结构影响,因此建立复合固体推进剂颗粒填充几何模型是开展细观燃烧模型仿真的前提。将NEPE高能复合固体推进剂中的氧化剂颗粒和金属颗粒简化为球形颗粒,颗粒间的空隙为粘合剂,应用分子动力学方法建立NEPE高能固体推进剂颗粒在基体内随机分布的填充模型。针对不同颗粒种类、数量和级配,开展NEPE高能复合固体推进剂颗粒填充几何模型建立研究,为后续开展细观燃烧模型提供几何模型。(4)复合固体推进剂细观燃烧模型研究结合试验研究及国外开展的复合固体推进剂细观燃烧模型相关工作,建立不含铝颗粒NEPE高能复合固体推进剂细观燃烧模型,在开源计算流体力学软件OpenFOAM平台上实现该细观燃烧模型的程序开发。细观燃烧模型充分考虑了复合固体推进剂燃烧过程中具有的多域、非线性强耦合、燃面动态退移及气相域多组分燃烧的特点。在程序开发过程中针对上述特点实现了相关算法的开发,其中采用分区耦合法实现气固域燃烧热耦合流场的求解,采用Level Set与VOF结合的方法实现燃面的动态追踪,采用网格拓扑变换方法实现气固域之间几何拓扑结构的动态变化。基于所开发的细观燃烧模型程序,开展NEPE高能复合固体推进剂细观燃烧模型仿真计算,得到了初步的仿真计算结果。本文在数值和试验研究的基础上所取得的研究成果,对复合固体推进剂的细观构建模及燃烧性能预示具有较高的科学理论意义和工程应用价值,对固体推进剂的配方设计及提高燃烧性能措施具有重要的参考及指导作用。本文建立的细观燃烧模型求解方法具有较强的通用性,可以推广至固体火箭发动机、固液火箭发动机以及固体燃料冲压发动机的仿真计算。