烧蚀台阶现象及对喷管性能的影响分析

喷管内型面由不同材料对接而成,对接面处不可避免地会出现烧蚀台阶。本文对喷管的烧蚀台阶现象进行分析,说明了烧蚀台阶的成因和不利影响;对台阶对局部流场的影响进行仿真,展示了不同尺度的涡流现象;对不同台阶位置和深度时的喷管内流场进行计算,分析了其对喷管性能的影响。计算结果表明喉衬后缘的大尺寸烧蚀台阶对喷管性能影响很大,必须在喷管设计中予以避免。

基于流固耦合的固体发动机复合喷管烧蚀型面演变

由于材料烧蚀性能不同,固体火箭发动机复合喷管普遍存在烧蚀台阶,严重影响喷管结构完整性,降低喷管性能。为了预示固体火箭发动机复合结构喷管内不同热防护材料交接处的烧蚀台阶型面演变过程,建立了一种能反映喷管两相流环境下防热材料烧蚀过程的流固耦合计算方法。依据热化学烧蚀与粒子侵蚀机理,考虑瞬态计算中烧蚀型面的退移,模拟了石墨-高硅氧/酚醛复合喷管烧蚀型面演化过程,验证了计算方法的有效性。模拟得到的收敛段烧蚀台阶型面与实验结果吻合较好,扩张段台阶计算深度略低于实验值。仿真结果表明:收敛段受热化学烧蚀与粒子侵蚀共同作用,两种材料粒子侵蚀速率的差异可达0.36 mm/s,是收敛段烧蚀台阶形成的主要原因,扩张段烧蚀台阶的产生仅受热化学烧蚀的影响,交接处退移速率最大差值为0.044 mm/s;烧蚀台阶形成后,拐角处暴露的石墨材料会受到较强的粒子冲刷效应;喷管喉部前端的石墨材料因烧蚀型面变化,喷管实际喉部向出口移动1.96 mm。

复合结构喷管烧蚀形貌的测定及其对流场的影响

为研究烧蚀形貌对固体火箭发动机喷管的影响,采用激光扫描技术对石墨/高硅氧复合结构喷管的烧蚀形貌进行了测量,测量结果显示:两种热防护材料的交界面处产生了烧蚀台阶,收敛段内烧蚀台阶在两种材料的交界面处,而扩张段内的烧蚀台阶在交界面下游。根据所测喷管的平均烧蚀速率,反推出3个不同时刻喷管的烧蚀型面,并以此为模型对流场进行数值模拟,研究烧蚀引起的喷管型面变化对喷管内流场、壁面传热及发动机性能造成的影响,计算结果表明:扩张段内的烧蚀台阶处会产生回流区,加剧当地对流换热,台阶附近还会形成膨胀波和斜激波,对主流区域造成显著影响;而收敛段内的烧蚀台阶对主流区影响较小,与烧蚀前相比,此处台阶上游对流换热强度减弱;烧蚀台阶的出现会改变喷管壁面处的压力分布,导致发动机出现推力损失。