旋轉(zhuǎn)固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)流場分析解①

劉平安，王 革，郜 冶

(哈爾濱工程大學(xué)航天工程系，哈爾濱 150001)

0 引言

旋轉(zhuǎn)過載引起固體火箭發(fā)動機(jī)性能的改變，一般有4種潛在的重要影響模式出現(xiàn)［1］:第1種模式是旋轉(zhuǎn)加速過載引起殼體和藥柱變形的力學(xué)模式(machanical mode);第2種為熱力學(xué)模式(thermodynamic mode)，其導(dǎo)致燃燒性能的改變;第3種為應(yīng)力模式(stress mode)，其導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速發(fā)生變化;第4種模態(tài)就是氣動力模式(gas dynamic mode)，旋轉(zhuǎn)過載將引起燃燒室和噴管的流動性能發(fā)生改變［2－8］。文獻(xiàn)［9］研究了無限長圓柱形固體裝藥通道粘性不可壓縮氣體沿橫截面氣流切向速度分布的近似關(guān)系。對于有分布質(zhì)量進(jìn)入的旋轉(zhuǎn)圓管內(nèi)，切向速度分布類似Rankine渦。國內(nèi)在旋轉(zhuǎn)固體火箭發(fā)動機(jī)性能和流動特征方面也開展了廣泛的研究［10－12］。文獻(xiàn)［13－14］應(yīng)用數(shù)值方法，研究了旋轉(zhuǎn)固體火箭發(fā)動機(jī)的內(nèi)流場，分析了旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)內(nèi)流場的分區(qū)特征和端面近軸區(qū)域的回流效應(yīng)，研究了轉(zhuǎn)數(shù)對渦核結(jié)構(gòu)及端面流場細(xì)微結(jié)構(gòu)的影響。

本文旨在應(yīng)用解析分析法求解旋轉(zhuǎn)情況下的發(fā)動機(jī)內(nèi)部流場，分析旋轉(zhuǎn)和壁面質(zhì)量注入對渦核結(jié)構(gòu)的影響。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 物理模型

軸對稱管型裝藥內(nèi)孔燃燒固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室通道空間的簡化模型如圖1所示，長為L，半徑為a，頭部封堵。燃燒室側(cè)壁面有流體均勻注入，注入速度為Vb，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為ω，則側(cè)面切向速度U=ωa。

1.2 基本假設(shè)

由于發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)流場變化較復(fù)雜，引入以下假設(shè)條件:

(1)流動處于穩(wěn)定狀態(tài);

(2)流體等溫不可壓;

(3)忽略體積力;

(4)粘性系數(shù)ν為常數(shù);