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现代固体火箭发动机广泛采用含金属复合推进剂,特别是含铝复合推进剂,以达到提高比冲的目的,铝的燃烧产物氧化铝粒子加入燃气后将形成典型的两相流动。两相流动会对发动机性能产生较大影响,高速运动的固体颗粒可能对发动机壳体以及喷管壁面产生冲刷。许多大型固体火箭发动机采用潜入式喷管,含铝推进剂燃烧时产生的比较大的固体颗粒无法进入喷管,会沉积在潜入喷管背壁空腔,就形成所谓的熔渣。 对气固两相流进行数值研究的模型基本可以分为两类:颗粒轨道模型(Lagrangian)和双流体模型(Eulerian)。这两种模型对气相的计算均采用已经比较成熟的单相流算法,其差别主要在于对颗粒相的处理。本文将两种模型用于固体火箭发动机内流场的两相流计算,利用大型CFD软件FLUENT中的颗粒轨道模型、混合物模型(即欧拉模型)对文献中的经典算例进行计算,并将结果与文献中结果进行对比验证。再将以上两种模型用于某潜入式喷管发动机,并比较其结果。 本文得到以下结论: 1.颗粒轨道模型能够模型有复杂经历的颗粒相,如颗粒的蒸发或凝结、沉积或冲刷,并可以清楚地看到粒子的运行轨迹。但对于模拟两相之间的耦合作用其效果不佳,且不能给出连续的颗粒速度和浓度的空间分布。 2.双流体模型能够全面考虑颗粒的湍流输运,并用统一的方法处理颗粒及流体相,两相间的耦合作用较强。其缺点是不能模拟颗粒的复杂变化,当颗粒分组数较多时,所需计算存贮量过大。 3.两相流场中的气相速度均小于纯气相流动,且尺寸小的粒子比大粒子使气相速度降低的程度更大,这与物理现象是一致的。颗粒质量分数不同,其对气相流场的影响程度是不同的,这一点在Eulerian方法中更能得到很好的体现,而Lagrangian方法颗粒相不占压力,因此其影响程度很小。