固體火箭發動機喉襯流場及熱結構耦合分析①

張曉光，王長輝，劉 宇，任軍學

(北京航空航天大學宇航學院，北京 100191)

0 引言

喉襯構成燃氣流動的最小通道，控制燃燒室壓強，決定發動機性能，是固體火箭發動機的關鍵部件;而其所處燃氣環境又最為惡劣。因此，喉襯也是發動機設計工作的薄弱環節。

流場及熱結構耦合分析是評估喉襯氣動特性、熱防護有效性及結構完整性的重要手段［1］。傳統的分析過程通常采用流場及熱結構順序計算的方法:先由一維等熵氣體動力學公式獲取燃氣溫度、壓強等流場參數，由半經驗公式(如Bartz公式)估算設定內壁溫度下的內壁對流換熱系數;再以燃氣溫度及內壁對流換熱系數為熱邊界條件，進行固相材料導熱計算，得到溫度分布;最后，以流場及傳熱分析所得喉襯內壁壓強與溫度場為邊界條件和載荷條件進行結構分析［2－5］。計算中一般未考慮內壁對流換熱系數隨內壁溫度的變化，未實現流動計算與傳熱計算的耦合，這與實際情況不符;另外，流場簡化計算模型及內壁對流換熱系數半經驗估算公式的應用，也對分析精度有較大影響。

針對上述問題，本文基于FLUENT流體計算軟件與ANSYS結構分析軟件，開展了喉襯流場及熱結構耦合分析。計算分為2部分:首先，由FLUENT完成流固耦合燒蝕傳熱計算;然后，由ANSYS基于FLUENT的流場及熱分析結果進行結構計算。計算實現了流場、熱的雙向耦合及流場、熱到結構的單向耦合，兼顧了分析精度與計算資源兩方面的因素，并充分發揮了2個軟件各自優勢，有助于準確預示喉襯在燃氣環境中的燒蝕傳熱及熱結構行為。……