液体火箭发动机燃烧动力学模型与数值计算PDF电子书下载

第1章 液体火箭发动机基础 1

1.1 概述 1

1.2 液体火箭发动机推力室 1

1.2.1 推力产生过程 1

1.2.2 推力室基本部件 2

1.2.3 推力室工作过程 4

1.2.4 推力室燃烧过程组织 4

1.3 液体火箭发动机工作过程 6

1.3.1 启动 7

1.3.2 关机 9

1.3.3 点火 13

1.3.4 吹除与预冷 14

1.4 液体火箭发动机主要性能参数 15

1.4.1 推力 15

1.4.2 总冲量与比冲量 18

1.4.3 特征速度与推力系数 19

1.4.4 推进剂质量混合比与混合比偏差 22

1.4.5 推进系统参数对火箭性能的影响 23

参考文献 24

第2章 液体火箭发动机燃烧不稳定性 25

2.1 概述 25

2.2 燃烧不稳定性基本概念 25

2.2.1 燃烧不稳定性激发的基本原理 25

2.2.2 燃烧不稳定性的分类 27

2.2.3 燃烧不稳定性研究评述 29

2.3 燃烧不稳定性控制方法 31

2.3.1 被动控制 31

2.3.2 主动控制 33

2.4 燃烧稳定性的评定 36

2.4.1 稳定性评定目的 36

2.4.2 稳定性评定方法 37

2.5 燃烧不稳定性分析模型 38

2.5.1 高频燃烧不稳定性分析模型 38

2.5.2 低频和中频燃烧不稳定性分析模型 39

2.5.3 燃烧不稳定性分析模型评述 40

2.6 燃烧不稳定性数值计算基本步骤 42

2.6.1 建立基本守恒方程组 42

2.6.2 确定边界条件 42

2.6.3 建立物理模型封闭守恒方程 43

2.6.4 制定求解算法 43

2.6.5 编制、调试程序 43

2.6.6 模拟结果的试验验证 43

2.6.7 改进模型及算法 43

参考文献 44

第3章 液体火箭发动机燃烧动力学模型 46

3.1 概述 46

3.2 气相流动控制方程 46

3.2.1 直角坐标系 46

3.2.2 圆柱坐标系 49

3.2.3 任意曲线坐标系 50

3.3 雾化过程模型 53

3.3.1 离心式喷嘴 54

3.3.2 直流自击式喷嘴 55

3.3.3 直流互击式喷嘴 55

3.3.4 同轴直流喷嘴 56

3.4 液滴蒸发模型 57

3.4.1 自燃推进剂分解模型 57

3.4.2 自燃推进剂蒸发／分解燃烧模型 58

3.4.3 液氧液滴高压蒸发模型 61

3.4.4 烃类燃料液滴高压蒸发模型 63

3.5 湍流流动模型 65

3.5.1 代数模型 66

3.5.2 单方程模型 66

3.5.3 k-ε双方程模型 66

3.6 两相流动模型 68

3.6.1 颗粒轨道模型 68

3.6.2 颗粒相在流场中的流动特性 69

3.6.3 颗粒在流场中运动轨迹的求解 71

3.6.4 液雾湍流扩散方程 71

3.6.5 液滴对气相的源项 72

3.7 湍流燃烧模型 73

3.7.1 阿累尼乌斯定律 73

3.7.2 E.B.U.模型 74

3.7.3 其他燃烧模型 75

参考文献 76

第4章 液体火箭发动机燃烧动力学数值计算方法 79

4.1 概述 79

4.2 数值计算方法概述 79

4.2.1 数值网格生成 79

4.2.2 微分方程离散 80

4.2.3 代数方程求解 81

4.3 PISO算法 81

4.3.1 通用方程的离散 82

4.3.2 二阶迎风格式 85

4.3.3 算子分裂方法 86

4.3.4 非交错网格下压力一速度耦合方程 89

4.3.5 差分方程组求解 91

4.4 MacCormack算法 92

4.5 边界条件 92

4.5.1 入口边界条件 93

4.5.2 出口边界条件 93

4.5.3 对称轴处的边界条件 93

4.5.4 壁面边界条件 94

4.6 计算网格的生成 94

参考文献 96

第5章 自燃推进剂火箭发动机燃烧动力学 98

5.1 概述 98

5.2 自燃推进剂蒸发燃烧特性 98

5.2.1 MMH蒸发特性 98

5.2.2 NTO蒸发特性 100

5.2.3 喷雾燃烧稳态流场 102

5.3 燃烧不稳定数值评定 104

5.3.1 不稳定燃烧模型 104

5.3.2 燃烧稳定性评定方法 105

5.4 燃烧稳定性影响因素 106

5.4.1 雾化液滴平均直径 107

5.4.2 推进剂初始温度 108

5.4.3 燃烧室压力 109

5.4.4 混合比 110

5.5 声腔抑制燃烧不稳定性 111

5.5.1 声腔理论模型 111

5.5.2 非线性分析 113

5.5.3 算例分析 117

参考文献 119

第6章 低温推进剂火箭发动机燃烧动力学 121

6.1 概述 121

6.2 同轴直流喷嘴喷雾燃烧过程动力学 122

6.2.1 物理模型与方法 122

6.2.2 氢氧燃烧动力学 124

6.2.3 氢氧燃烧过程火焰稳定机理 126

6.2.4 氢氧超临界喷雾燃烧过程演化机理 127

6.3 氢氧火箭发动机燃烧稳定性影响规律 130

6.3.1 混合比 130

6.3.2 燃烧室压力 132

6.3.3 喷射速度比 132

6.3.4 氢喷射温度 133

6.4 轮毂／径向喷嘴隔板抑制氢氧发动机燃烧振荡的效果与机理 133

6.4.1 隔板燃烧室三维稳态燃烧流场 133

6.4.2 燃烧室压力振荡特征的重现 134

6.4.3 对切向模式燃烧不稳定的控制效果 134

6.4.4 对径向模式燃烧不稳定的控制效果 135

6.4.5 隔板抑制燃烧振荡的机理 136

6.5 液氧／甲烷火箭发动机燃烧不稳定性评估 138

6.5.1 三维燃烧流场 138

6.5.2 燃烧不稳定性评估 139

6.5.3 与氢氧火箭发动机燃烧特性的比较 140

6.5.4 轮毂／径向喷嘴隔板抑制液氧／甲烷发动机低频燃烧振荡的效果 141

6.5.5 低频燃烧振荡发生机理 142

参考文献 144

第7章 三组元液体火箭发动机燃烧动力学 147

7.1 概述 147

7.2 不稳定燃烧的非线性分析 147

7.2.1 非线性动力学基本概念 147

7.2.2 非线性场振子模型 149

7.2.3 发动机燃烧过程中的混沌现象 151

7.3 燃烧不稳定性影响因素分析 153

7.3.1 氢含量 154

7.3.2 活化能 155

7.3.3 煤油液滴喷射速度 155

7.3.4 煤油液滴尺寸分布特性 156

7.4 亥姆霍兹谐振腔抑制燃烧不稳定性 156

7.4.1 激发不稳定燃烧 156

7.4.2 亥姆霍兹谐振腔对振荡的抑制作用 157

7.5 燃烧不稳定性主动控制 158

7.5.1 主动控制原理 158

7.5.2 主动控制仿真结果 159

参考文献 160

第8章 液体火箭发动机内外燃烧流场一体化计算 161

8.1 概述 161

8.2 火箭发动机内外燃烧流场特征 161

8.2.1 基本概念 161

8.2.2 尾流效应 162

8.2.3 关键技术 162

8.3 火箭发动机内外燃烧流场数值计算结果 164

8.3.1 物理模型与算法 164

8.3.2 计算结果 165

8.4 火箭导弹尾流辐射特性 167

8.4.1 辐射传输方程 167

8.4.2 辐射几何学 168

8.4.3 计算结果 168

参考文献 171

第9章 液体火箭发动机系统响应动力学 172

9.1 概述 172

9.2 推进剂供应系统动态响应特性分析模型 173

9.2.1 管路动力学方程 173

9.2.2 贮箱增压气体状态方程 175

9.2.3 沿程损失和局部损失 175

9.2.4 水击压差估算 176

9.3 推力室动态响应特性分析模型 176

9.3.1 电磁阀的流量及损失模型 176

9.3.2 喷注器的准稳态方程 177

9.3.3 推力室动态过程分析模型 177

9.4 系统动力学方程的求解方法 179

9.4.1 特征线方法 179

9.4.2 特征方程差分形式 181

9.4.3 特征线方法的稳定性条件 182

9.5 推进系统系统响应动力学特性 182

9.5.1 管路瞬变特性 182

9.5.2 启动与关机过程动态特性 185

9.5.3 推进系统脉冲工作特性 187

参考文献 189

附录 190