第1章 引言 1
1.1液体火箭发动机的基本结构 1
1.1.1推进剂供应系统 1
1.1.2推力室 4
1.2液体火箭发动机的内部燃烧过程 10
1.2.1启动和关机过程 10
1.2.2燃烧过程 12
1.2.3工作过程的性能参数 14
1.3液体火箭发动机燃烧过程数值仿真的特点及发展历程 15
1.3.1液体火箭发动机燃烧过程数值仿真的作用 15
1.3.2液体火箭发动机工作过程数值仿真的主要内容 16
1.3.3液体火箭发动机燃烧过程的数值仿真发展历程 17
1.4化学流体力学基本控制方程组 18
1.5本书的主要内容 20
参考文献 21
第2章 液体推进剂雾化机理和雾化模型 22
2.1液体火箭发动机喷注器类型和作用 22
2.2液体推进剂雾化机理 23
2.2.1静态液滴的形成 23
2.2.2圆柱射流破碎 24
2.2.3液膜破碎 29
2.2.4液滴二次破碎 34
2.3液体火箭发动机中雾化性能评价指标 41
2.3.1喷雾尺寸分布函数 41
2.3.2平均直径与特征直径 42
2.3.3喷雾尺寸分布的测量 43
2.4液体火箭发动机喷嘴雾化模型 47
2.4.1直流式喷嘴 47
2.4.2离心式喷嘴 47
2.4.3撞击式喷嘴 50
2.4.4同轴剪切式喷嘴 54
2.4.5同轴离心式喷嘴 56
2.5液体推进剂喷雾数值模拟 58
2.5.1液体推进剂雾化过程数学模型 58
2.5.2拟流体模型 61
2.5.3颗粒轨道模型 62
2.5.4界面追踪法在雾化数值模拟中的应用 65
参考文献 67
第3章 液滴蒸发燃烧模型 70
3.1液滴在常压下的准定常蒸发燃烧理论 70
3.1.1液滴在静止气体中无燃烧时的准定常蒸发理论 70
3.1.2液滴在静止气体中有燃烧时的准定常蒸发理论 74
3.1.3液滴在对流介质中的无燃烧蒸发理论 77
3.1.4液滴在对流介质中的有燃烧蒸发理论 78
3.2高压下液滴蒸发模型 78
3.2.1 ZKS液滴高压蒸发理论 79
3.2.2应用液相活度系数计算高压气液平衡的方法 83
3.3振荡环境下推进剂液滴亚临界蒸发响应特性 85
3.3.1物理模型 85
3.3.2算例及结果分析 87
3.4多组分燃料液滴蒸发模型 88
3.4.1简单多组分液滴蒸发模型 89
3.4.2复杂多组分混合物液滴蒸发的连续热力学模型 97
3.5液滴群蒸发 104
3.5.1群燃烧数定义 104
3.5.2液滴群燃烧模式 105
参考文献 107
第4章 湍流流动模拟 109
4.1湍流模式理论及方程 109
4.1.1代数模型 110
4.1.2一方程模型 111
4.1.3两方程模型 113
4.1.4湍流模型修正 116
4.1.5非线性湍流模型 120
4.1.6雷诺应力模型 124
4.1.7模型评述 126
4.2大涡模拟理论及方程 127
4.2.1大涡模拟的基本思想 127
4.2.2大涡的运动方程 128
4.2.3亚格子尺度模型 129
4.2.4混合RANS/LES方法 134
4.3两相湍流模型 138
4.3.1颗粒湍流的Hinze-Tchen代数模型 138
4.3.2两相湍流的k-ε-kp和k-ε-Ap模型 139
参考文献 140
第5章 湍流燃烧模型 143
5.1化学反应项的平均 143
5.2扩散火焰的设定PDF——快速化学反应模型 145
5.2.1概念和假设 145
5.2.2 κ-ε-Z-g方程组 146
5.2.3概率密度分布函数 147
5.2.4设定型PDF 148
5.2.5截断型高斯分布的PDF 149
5.3预混火焰的有限反应速率EBU-Arrhenius模型 150
5.4关联矩模型 151
5.4.1时均反应率 151
5.4.2关联矩的封闭 152
5.5湍流燃烧的火焰面模型 153
5.5.1扩散火焰面模型 153
5.5.2预混火焰面模型 155
5.6湍流燃烧的PDF输运方程方法 156
5.6.1概率密度函数的输运方程 156
5.6.2湍流PDF方程的封闭问题 158
5.6.3密度加权平均的单点联合概率密度函数的输运方程 159
5.6.4概率密度函数的输运方程的求解 159
5.7湍流燃烧的大涡模拟 160
5.7.1湍流燃烧大涡模拟的控制方程 161
5.7.2亚格子尺度燃烧模型 163
参考文献 169
第6章 传热模型及模拟 171
6.1燃烧室壁对流传热模型 171
6.1.1燃气对流传热模型 172
6.1.2冷却对流传热模型 173
6.2燃烧室壁热传导模型 176
6.2.1傅里叶导热定律 176
6.2.2一维稳定热传导 176
6.2.3二维稳定热传导 177
6.2.4非稳态热传导 178
6.3辐射换热模型 178
6.3.1辐射的基本定律 178
6.3.2辐射热流密度计算经验模型 183
6.3.3燃烧过程辐射换热数值模拟 184
参考文献 190
第7章 燃烧不稳定模型 191
7.1概述 191
7.1.1燃烧不稳定性表现形式 192
7.1.2不稳定燃烧分类 192
7.1.3燃烧不稳定性的特点 194
7.2燃烧不稳定的声学基础 195
7.2.1供热或供质激起声振荡的Rayleigh准则 195
7.2.2声波与声振荡 196
7.2.3燃烧室内的声振型 197
7.2.4火箭发动机内的自激振荡 200
7.3液体火箭发动机燃烧过程的响应特性 201
7.3.1推进剂供应系统的响应特性 202
7.3.2喷射雾化过程的响应特性 203
7.3.3液滴蒸发过程的响应特性 204
7.4敏感时滞模型n-τ 204
7.4.1燃烧时滞 204
7.4.2敏感时滞模型 205
7.5液体火箭发动机燃烧稳定性非线性理论 213
7.5.1非线性场振子模型 215
7.5.2均匀反应器声振模型 216
7.5.3时空相互作用动力学模型 219
7.5.4燃烧不稳定的一般热力学分析 220
7.6不稳定燃烧的控制措施 221
7.6.1被动控制 222
7.6.2主动控制 223
7.6.3第三种控制方法 224
参考文献 225
第8章 液体火箭发动机燃烧过程数值方法及计算实例 228
8.1两相多组分反应流基本控制方程 228
8.1.1气相控制方程 228
8.1.2液相颗粒轨道模型 230
8.1.3湍流模型 232
8.1.4液滴雾化模型 233
8.1.5液滴蒸发模型 234
8.1.6化学反应动力学模型 235
8.2数值计算方法 236
8.2.1概述 236
8.2.2常用的离散格式 237
8.2.3离散方程 241
8.2.4基于交错网格的动量方程的离散 244
8.2.5流场计算的SIMPLE算法 245
8.2.6 PISO算法 249
8.3网格生成技术 252
8.3.1结构网格生成技术 252
8.3.2非结构网格生成技术 255
8.4液体火箭发动机燃烧过程计算算例及结果分析 257
8.4.1双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析 257
8.4.2三组元发动机推力室内部传热数值仿真 262
8.4.3液体发动机燃烧稳定性数值仿真 268
参考文献 280