铝粉含量对火箭发动机推力影响研究

于永志，相升海，李世鹏，于　超，李　帅，袁健飞

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,沈阳　110159; 2.北京理工大学 宇航学院，北京　100081;

3.东北工业集团有限公司 吉林江机公司,吉林　132021)



铝粉含量对火箭发动机推力影响研究

于永志1，相升海1，李世鹏2，于超3，李帅1，袁健飞1

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,沈阳110159; 2.北京理工大学 宇航学院，北京100081;

3.东北工业集团有限公司 吉林江机公司,吉林132021)

摘要：建立了固体火箭发动机喷管的气固两相流计算模型，对不同铝粉含量的复合固体推进剂的燃气在喷管中的两相流动进行了数值模拟。研究了推进剂中铝粉含量对发动机推力性能的影响规律；通过对速度场和压力场分析并结合推力基本计算公式得出发动机推力变化趋势，结果表明：在其他成分不变的情况下，随着单位质量复合推进剂中铝粉含量的增加，燃气流动速度降低、压力升高，火箭发动机的推力呈现先增大后减小的变化趋势。

关键词：固体火箭发动机；气固两相流；铝粉；推力；数值模拟

Citation format:YU Yong-zhi, XIANG Sheng-hai, LI Shi-peng, et al.Study on Influence of Aluminum Powder Content on Rocket Motor Thrust[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):35-38.

随着现代武器装备技术不断发展，火箭发动机对比冲、推力等性能要求不断提高,推进剂高能量特性越来越受到重视。为了提高能量，现代复合推进剂中都采用金属燃料(Al、Mg等)作为基本组元之一。

国内外的学者都对两相流开展了研究，Mehta[1]采用双流体法,将有限体积法和Runge-Kutta方法相结合计算了喷管的粘性两相流流动。Golafshani[2]采用颗粒轨道模型计算了JPL喷管无黏两相流场以及两种固体火箭发动机后封头的二维轴对称可压缩两相流场。淡林鹏[3]采用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长尾喷管纯气相流场和两相流流场。于勇[4]采用了双流体模型对JPL喷管中气固两相流动以及超声速射流两相流动进行了数值模拟。陈福振[5]基于拟流体模型，采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)求解离散颗粒相，建立了欧拉与拉格朗日坐标系下的耦合框架，耦合方法模拟了JPL喷管中气粒两相流动过程。李东霞[6]把LU隐式时间格式和Van-Leer矢通量分裂格式应用到两相流双流体模型中，并对一维等截面传热摩擦管道和轴对称JPL喷管中气固两相流进行了计算。苏鹏辉[7]采用基于热增量试验数据的粒子壁面反弹模型以及基于粒子轨道的单元内颗粒源两相流耦合算法，对喷管内两相流流场及粒子撞击产生的壁面热增量进行了计算和分析。本文基于CFD软件FLUENT的多相流Mixture模型，对某型号的固体火箭发动机喷管气固两相流进行了数值模拟，主要研究了复合推进剂中铝粉含量对发动机推力的影响规律。

1计算模型

为了便于理论计算，采用如下假设：

流动是二维、定常和等熵的。燃气为理想气体，粒子为均一尺寸的球体,其内部温度均匀一致。在两相流动过程中不考虑由于温度变化引起的粒子的相变。粒子相互间不发生碰撞,亦不发生聚合和破碎。粒子和燃气以对流和辐射两种形式进行能量交换。

1.1数学模型控制方程

欧拉坐标系中混合物两相流的体平均守恒方程组如下：

1) 连续性方程：

(1)

动量方程

(2)

2) 能量方程：

(3)

其中，nk为颗粒相的数密度，qr为流体相的辐射传热，Qrk为颗粒相辐射传热，ωs为流体相中s组分的反应率，ωsQs为流体相反应在单位体积中释放的热量，Qh为颗粒表面热效应(包括蒸发、挥发、凝结、异相反应等)所释放的热量。

1.2计算方法

采用FLUENT进行流场的建模和计算，仿真模型中，考虑发动机喷管气固两相流动的湍流模型。流场计算时，使用基于压力算法的隐式求解器进行求解，湍流模型选用RNGk-ε模型，壁面附近进行标准壁面函数处理，两相流采用欧拉Mixture模型。数值仿真模拟的对象为海拔高度为0 km、常温常压下的某固体火箭发动机。

使用二维轴对称计算区域对喷管流场进行计算，喷管扩张段出口直径为290.7 mm，喉部直径为104 mm，收缩半角为52°，扩张半角为16.5°。在喷管轴线附近采用较密的网格，远离轴线的区域采用稀疏网格。计算区域轮廓及网格划分情况如图1所示。喷管入口边界采用压力入口，入口总压为12 MPa，燃气温度为3 100 K; 环境压力为0.101 325 MPa，温度为300 K。计算含铝5%、AP75%、HTPB20%推进剂燃烧产物平衡时燃烧室内各组分的质量百分数见表1。

图1　计算区域图及网格

组份H2COH2ON2HClCO2Al2O3(固相)质量百分数/%3.538.73.213.422.98.99.4

2计算结果及分析

2.1喷管流场参数特性分析

粒子直径的估算和处理是两相流计算中的关键之一,因为不同直径的微粒在流场中运动规律及各方面参数不尽相同，AL2O3颗粒直径的确定依据文献[8]中微粒直径拟合公式：

(4)

式(4)中，Dt为发动机喷管喉部直径，Pc为燃烧室压强。在其他成分不变的情况下，分别对单位质量复合推进剂中铝粉质量百分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的五种推进剂的火箭发动机喷管两相流流场进行了仿真计算。图2是不同铝粉含量的喷管速度场和压力场分布。图3是铝粉含量分别为0%、5%、10%、15%、20%时，喷管扩张段中心轴线处的速度、压力分布对比。

图2　不同铝粉含量速度云图和压力云图

图3　不同铝粉含量喷管轴线方向速度与压力对比

图2对比了推进剂中铝粉含量为0%、10%、20%的喷管两相流速度分布和压力分布，结合图3可知随着推进剂配方中铝粉含量增加，在喷管同一位置处两相流的燃气速度逐渐降低，压力逐渐升高。这是因为流场中的Al2O3粒子数量会随着推进剂铝粉含量的增加而增加，由于Al2O3粒子不能通过膨胀做功将其内能转化为动能，所以会使其两相流速度降低。分析图3，沿着喷管扩张段轴线方向，随着横截面面积增加，轴线处的速度都呈现增加趋势，与拉瓦尔喷管理论吻合。对比图2和图3，发现其结果基本一致，随着铝粉含量的增加，两相流的速度降低，压力升高。由此可见，推进剂中铝粉含量对固体火箭发动机喷管流动参数的主要影响是使速度降低，压力升高。

2.2铝粉含量对发动机推力性能影响分析

通过对速度与压力的各组仿真数据进行后处理，并结合火箭发动机推力基本计算公式：

(5)

2.3实验验证

课题组对文中的固体火箭发动机进行了热试车，根据采集的数据，得到发动机推力与时间的关系，如图5所示。对比图4和图5，文中通过数值模拟得到的固体火箭发动机推力与实验数据基本一致，说明本文所采用的数值模拟方法是可靠的。

图4　发动机推力随推进剂铝粉含量的变化趋势

图5　火箭发动机热试车推力曲线

3结论

采用FLUENT计算流体力学软件，建立了固体火箭发动机喷管的气固两相流计算模型，在其他成分不变的情况下，通过改变单位质量推进剂中铝粉的质量分数，研究了推进剂铝粉含量对固体火箭发动机喷管流场参数分布及发动机推力的影响，得到以下结论：

1) 复合推进剂中铝粉含量的增加会改变火箭发动机的推力性能，随着铝粉含量的增加，火箭发动机的推力呈现先增加后减小的变化趋势，并且铝粉对推力的影响逐渐变得明显。

2) 复合推进剂中铝粉含量的增加会改变喷管的速度场、压力场，使得燃气流动速度降低、压力升高，轴线处的影响尤为明显。

参考文献：

[1]MEHTA R C，JACHANRA T.A fast algorithm to solve viscous two-phase flow in an axisymetric rocket nozzle[J].Int.J Numerical Methods Fluids,1998,26:501-517.

[2]GOLAFSHANI M,LOH H T.Computation of two-phase viscous flow in solid rocket motors using a flux-split Eulerian-Lagrangian technique[R].AIAA-89-2785,1989.

[3]淡林鹏,张振鹏,何大军,等.长尾喷管两相流流场计算[J].推进技术,2002,23(5):425-427.

[4]于勇,张夏,陈维.用双流体模型模拟超声速气固两相流动[J].航空动力学报,2010,25(4):800-807.

[5]陈福振,强洪夫,高巍然,等.固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟[J].推进技术,2015,36(2):175-184.

[6]李东霞,徐旭,蔡国飙,等.火箭发动机气体-颗粒两相流双流体模型研究[J].固体火箭技术,2005,28(4):238-243.

[7]苏鹏辉,艾邦成,潘宏禄.喷管两相流耦合数值模拟与粒子热增量预测[J].北京航空航天大学学报，2012,38(7):900-909.

[8]荣先成,李宝盛.固体火箭喷管两相流中微粒直径的实用拟合公式[J].推进技术,1996,17(4):14-16.

(责任编辑周江川)

Study on Influence of Aluminum Powder Content on Rocket Motor Thrust

YU Yong-zhi1, XIANG Sheng-hai1, LI Shi-peng2,YU Chao3, LI Shuai1, YUAN Jian-fei1

(1.College of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159，China;2.School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;3.Jilin Jiangbei Machinery Co., Ltd., Northeast Industrial Group Co., LTD., Jilin 132021, China)

Abstract:The calculation model of gas-solid two-phase flow of the solid rocket motor nozzle was established. We conducted numerical simulation on two-phase flow of gas in nozzle based on different aluminum powder content of composite solid propellant. The effect rules of thrust performance of the engine of different aluminum powder content was researched. The variation trend of engine thrust was concluded by the analysis of flow velocity and pressure distribution and being combined with basic thrust calculation formula. It was showed that in the case of quality score of other components keep unchanged, the flow rate reduces, and the pressure increases and the thrust variation tendency of rocket engine first increases and then decreases gradually with the increase of aluminum powder content of composite propellant per unit mass.

Key words:solid rocket motor; gas-solid two-phase flow; aluminum powder; thrust; numerical simulation

文章编号：1006-0707(2016)03-0035-04

中图分类号：V238；TJ7

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.009

作者简介：于永志(1988—)，男,硕士研究生，主要从事火箭发动机相关研究。

基金项目：国家自然基金(11272055)

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-10-09

本文引用格式：于永志，相升海，李世鹏，等.铝粉含量对火箭发动机推力影响研究[J].兵器装备工程学报，2016(3):35-38.

【装备理论与装备技术】