【摘要】：高性能固體發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓強(qiáng)和新型高能推進(jìn)劑技術(shù),在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí),會(huì)使噴管喉襯的燒蝕率急劇增大。開(kāi)展喉襯燒蝕機(jī)理研究、找到降低喉襯燒蝕的有效方法對(duì)未來(lái)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展具有重要意義。本文基于目前的耐燒蝕喉襯材料,從創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法入手,提出采用邊界層控制方法技術(shù),通過(guò)對(duì)噴管喉襯進(jìn)行邊界層控制,降低喉襯表面氣體的溫度和氧化組分氣體的濃度,從而降低噴管喉襯的燒蝕。噴管喉襯的表面溫度和壁面氧化組分氣體的濃度直接影響喉襯的燒蝕率,通過(guò)分析這兩個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)喉襯燒蝕的影響規(guī)律,獲得了降低喉襯燒蝕率的有效途徑。通過(guò)燒蝕機(jī)理分析,闡明了邊界層控制方法降低喉襯表面溫度和壁面氧化組分氣體濃度的機(jī)制,證明了該方法降低喉襯燒蝕的有效性,從燒蝕機(jī)理方面分析了邊界層控制方法降低喉襯燒蝕的可行性。基于標(biāo)準(zhǔn)k??兩方程模型,使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),建立了適用于采用邊界層控制方法技術(shù)的噴管內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模型,能夠模擬低溫富燃?xì)怏w與高溫燃?xì)庵g的復(fù)雜摻混過(guò)程�；谑硪r材料的燒蝕特性,建立了噴管喉襯的熱化學(xué)燒蝕模型,喉襯材料內(nèi)部的溫度場(chǎng)采用非穩(wěn)態(tài)固相熱傳導(dǎo)方程求解,壁面氣體與喉襯表面之間采用能量方程進(jìn)行銜接,在喉襯材料表面考慮了氧化組分氣體的濃度邊界層,并考慮了喉襯材料表面燒蝕的瞬態(tài)退移過(guò)程,應(yīng)用MATLAB軟件編寫(xiě)了喉襯燒蝕率的計(jì)算程序,能夠?qū)硪r材料的燒蝕率進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用數(shù)值方法對(duì)邊界層控制方法中低溫富燃?xì)怏w的噴射條件進(jìn)行了參變量研究,比較了不同參變量降低喉襯表面氣體溫度和壁面氧化組分氣體濃度的效果,獲得了低溫富燃?xì)怏w的噴射質(zhì)量、噴射位置、噴射溫度和噴射口數(shù)量對(duì)邊界層控制方法的影響規(guī)律:在一定范圍內(nèi),隨著噴射質(zhì)量和噴射口數(shù)量的增加,降低喉襯燒蝕的效果更好;隨著噴射位置的減小和噴射溫度的下降,降低喉襯燒蝕的效果更好。應(yīng)用編寫(xiě)的喉襯燒蝕率計(jì)算程序,計(jì)算了采用邊界層控制方法前后喉部燒蝕率的變化規(guī)律。燒蝕率計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于本文的數(shù)值模型,在優(yōu)化的低溫富燃?xì)怏w噴射條件下,喉部的燒蝕率下降了近80%,從理論方面證明了邊界層控制方法降低喉襯燒蝕的有效性。為了驗(yàn)證邊界層控制方法理論分析的正確性與可行性,根據(jù)邊界層控制方法的原理,基于目前“喉襯抗粒子剝蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)計(jì)了邊界層控制方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證噴管,確定了噴管喉部直徑、擴(kuò)張比、內(nèi)型面等參數(shù),并對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。利用該實(shí)驗(yàn)噴管進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),獲得了噴管喉部的燒蝕率。采用邊界層控制方法后,喉部燒蝕率下降了57.71%,從實(shí)驗(yàn)角度證明了采用邊界層控制方法技術(shù)降低喉襯燒蝕的有效性。
【圖文】：

高能推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)具有較低的燒蝕率。為此本文提出一種新的思路，從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法上入手，采用邊界層控制方法技術(shù)，通過(guò)對(duì)噴管喉襯進(jìn)行邊界層控制，降低噴管內(nèi)表面的燃?xì)鉁囟龋瑫r(shí)減少?lài)姽鼙砻鎸?duì)燒蝕影響較大的氧化組分氣體（如 H2O 和 CO2）的質(zhì)量濃度，從而降低喉襯材料的燒蝕率。開(kāi)展邊界層控制方法以降低噴管喉襯燒蝕的研究具有明顯的科學(xué)意義。新型高能推進(jìn)劑的使用，有利于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的提高。高溫高壓工作條件下噴管喉襯的燒蝕將成為未來(lái)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)亟待解決的問(wèn)題，如何利用現(xiàn)有的耐沖刷和抗燒蝕材料設(shè)計(jì)出高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，顯得尤為緊迫。此項(xiàng)研究從降低噴管喉襯燒蝕的邊界層控制方法機(jī)理研究出發(fā)，以數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，對(duì)噴管喉襯燒蝕進(jìn)行了深入研究，掌握了噴管喉襯的燒蝕過(guò)程，獲得了降低噴管喉襯燒蝕的新方法，為新型高能推進(jìn)劑的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。喉部

[45]在對(duì)該方法進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。圖1-3 有NBLCS的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖 圖 1-4 NBLCS 輸送管的局部放大圖下式給出了邊界層控制方法輸送管處的質(zhì)量變化：inj div pyrom m m （1-1）1.2.2 理論研究現(xiàn)狀美國(guó)六所大學(xué)的學(xué)者研究了喉襯材料的熱化學(xué)燒蝕過(guò)程，，將邊界層控制方法引入到了喉襯燒蝕率的計(jì)算模型，闡明了邊界層控制方法降低喉襯燒蝕的機(jī)理，分析了該方法降低喉襯燒蝕的效果。在喉襯燒蝕研究方面，很多專(zhuān)家[9,42,46-47]建立了噴管的熱化學(xué)燒蝕模型，考慮了表面異相化學(xué)動(dòng)力學(xué)和氧化組分?jǐn)U散的影響；Kuo 等[48-49]基于部分假設(shè)，建立了較為精確的燒蝕模型；Borie 等[26]建立了炭/炭喉襯材料的燒蝕模型。Wolt 等[44]在 2004 年 AIAA 會(huì)議上介紹了邊界層控制方法，論述了該方法降低喉襯燒蝕的基本理論，簡(jiǎn)要分析了邊界層控制方法降低喉襯燒蝕的有效性。Acharya 等[17]進(jìn)一步研究了 Kuo 等[49]的熱化學(xué)燒蝕模型
【學(xué)位授予單位】：航天動(dòng)力技術(shù)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：V435

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳林泉;王立武;劉勇瓊;鄭凱斌;吳秋;;邊界層控制方法降低噴管喉襯燒蝕綜述[J];固體火箭技術(shù);2014年03期

2 楊颯;李江;王文彬;趙志博;鄧海軍;;C/C喉襯燒蝕性能的實(shí)驗(yàn)研究[J];固體火箭技術(shù);2009年03期

3 陳林泉;毛根旺;陳軍濤;;采用高低燃溫組合裝藥降低噴管內(nèi)表面溫度和燒蝕研究[J];固體火箭技術(shù);2008年06期

4 王書(shū)賢;陳林泉;劉勇瓊;;C/C喉襯材料燒蝕試驗(yàn)方法研究[J];固體火箭技術(shù);2007年02期

5 張紅波;尹健;熊翔;;C/C復(fù)合材料燒蝕性能的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2005年07期

6 蘇君明,陳林泉,王書(shū)賢,侯曉,李桂林;石墨滲銅喉襯的燒蝕特性[J];固體火箭技術(shù);2004年01期

7 蘇君明,崔紅,蘇哲安,郭晨,李瑞珍,李雅娣,周紹建;軸棒法混編4D炭/炭復(fù)合材料喉襯研究[J];炭素;2004年01期

8 左勁旅,張紅波,熊翔,黃啟忠,肖鵬;喉襯用炭/炭復(fù)合材料研究進(jìn)展[J];炭素;2003年02期

9 劉建軍,蘇君明,陳長(zhǎng)樂(lè);炭/炭復(fù)合材料燒蝕性能影響因素分析[J];炭素;2003年02期

10 黃海明,杜善義,吳林志,王建新;C/C復(fù)合材料燒蝕性能分析[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2001年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 董昊;噴管喉襯材料燒蝕實(shí)驗(yàn)研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2007年

2 相華;化學(xué)液相浸滲法制備C/C-TaC復(fù)合材料及其燒蝕性能研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2539341