结构对固体火箭发动机可视化喷管两相流动的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32185

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

结构对固体火箭发动机可视化喷管两相流动的影响

李想¹, 李军伟¹^,²(), 李强¹^,², 韦彭威¹, 陈晨³, 付青山⁴

^1.北京理工大学宇航学院，北京 100081
^2.北京理工大学重庆创新中心，重庆 401120
^3.西安航天动力技术研究所固体推进全国重点实验室，西安 710025
^4.西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，西安 710065

收稿日期:2025-04-30 修回日期:2025-05-19 接受日期:2025-07-21 出版日期:2025-07-31 发布日期:2025-07-31
通讯作者: 李军伟 E-mail:david78lee@bit.edu.cn
基金资助:
省部级项目

Influence of structure on two-phase flow in visual nozzle of solid rocket motor

Xiang LI¹, Junwei LI¹^,²(), Qiang LI¹^,², Pengwei WEI¹, Chen CHEN³, Qingshan FU⁴

^1.School of Astronautics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China
^2.Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center，Chongqing 401120，China
^3.National Key Laboratory of Solid Rocket Propulsion，The Institute of Xi’an Aerospace Solid Propulsion Technology，Xi’an 710025，China
^4.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory，Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，China

Received:2025-04-30 Revised:2025-05-19 Accepted:2025-07-21 Online:2025-07-31 Published:2025-07-31
Contact: Junwei LI E-mail:david78lee@bit.edu.cn
Supported by:
Provincial or Ministerial Level Project

摘要/Abstract

摘要：

为了了解固体火箭发动机喷管内两相流场的速度分布，设计了一种二维平面可视化喷管，建立了针对喷管流场的速度在线测试系统，采用含氧化铝颗粒的低燃温固体推进剂，进行发动机点火实验，通过粒子图像测速（PIV）技术，获得了喷管扩张段内部分区域的流场速度，并采用数值仿真方法，研究了可视化喷管侧面盖板的截断长度、喷管形状对两相流场的影响。研究结果表明：实验测得的喷管内流场最高轴向速度达到了1 850 m/s，流场内混合有碳烟团和氧化铝颗粒，随着碳烟团的浓度沿纵向加重，流场区域的图像灰度由明转暗；减小可视化喷管侧面盖板的截断长度，使截断初始位置远离喷管喉部，颗粒在扩张段的扩散角由24.3°减小至21.5°，颗粒轨迹更向直边壁面集中；形状会对颗粒在拉瓦尔喷管中的流动造成影响，在半边方形喷管的收敛段及喉部位置处，受直边壁面的约束，颗粒会与壁面发生反复碰撞，形成暂时“滞留”在喉部区域的现象，将喷管形状由半边方形改为全尺寸方形后，颗粒较燃气速度的最大滞后值减小了46.9%。

关键词: 固体火箭发动机, 拉瓦尔喷管, 气-固两相流, PIV技术, 高速复杂流场

Abstract:

To investigate the velocity distribution in the two-phase flow field of the solid rocket motor nozzle， a two-dimensional planar visual nozzle was designed， and an online system for measuring velocity of the nozzle flow field was established. The hot-firing test was carried out using a low combustion temperature solid propellant containing alumina particles. The flow field velocity in the expansion section inside the nozzle was obtained by the Particle-Image Velocimetry （PIV）. The influence of the truncated length of the side cover and shape of the visual nozzle on the two-phase flow field is studied by numerical simulation method. The research results show that the experimentally measured maximum axial velocity within the nozzle reached 1 850 m/s. The internal flow field contained a mixture of soot agglomerates and aluminum oxide particles， and as the soot concentration increased in the streamwise direction， the image grayscale intensity of the flow field gradually decreased from bright to dark. The numerical results indicate that reducing the truncated length of the side cover plate of the visual nozzle， thereby shifting the truncated position farther away from the nozzle throat， decreases the diffusion angle of particles from 24.3° to 21.5°， leading to a stronger concentration of particle trajectories toward the straight-line wall. The nozzle geometry was found to exert a pronounced influence on particle transport within the Laval nozzle. In the converging section and near the throat of the half-square nozzle， particles experienced repeated collisions with the straight wall due to geometric confinement， leading to a temporary residence or “particle trapping” phenomenon in the throat region. When the nozzle configuration was modified from a half-square to a full-square geometry， the maximum velocity lag of the particles relative to the gas was decreased by 46.9%.

Key words: solid rocket motor, Laval nozzle, gas-solid two-phase flow, PIV technology, high-speed complex flow field

中图分类号:

V430

李想, 李军伟, 李强, 韦彭威, 陈晨, 付青山. 结构对固体火箭发动机可视化喷管两相流动的影响[J]. 航空学报, 2026, 47(3): 132185.

Xiang LI, Junwei LI, Qiang LI, Pengwei WEI, Chen CHEN, Qingshan FU. Influence of structure on two-phase flow in visual nozzle of solid rocket motor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(3): 132185.

图/表 19

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

喷管型面参数

工况	喷管模型	喉道高度 $H t / m m$	喉道宽度 $W t / m m$	出口高度 $H e / m m$	流道宽度 $W d / m m$	面积比 $A e / A t$	截断长度 $L c u t / m m$
A	实验时采用的加堵块半边方形喷管	2.25	13.80	54.00	19.75	34.35	103
B1	简化的加堵块半边方形喷管	2.25	13.80	54.00	13.80	24.00	0
B2							160
B3							110
B4							55
C1	加堵块的半边方形喷管	2.25	13.80	54.00	13.80	24.00
C2	不加堵块的半边方形喷管	2.25	13.80	48.22	13.80	21.43
C3	不加堵块的全尺寸方形喷管	4.50	6.90	96.44	6.90	21.43
C4	不加堵块的圆周喷管	6.29		98.23		243.89

表 1

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

参考文献 41

[1]	MARBLE F E. Nozzle contours for minimum particle-lag loss［J］. AIAA Journal， 1963， 1（12）： 2793-2801.
[2]	LANDSBAUM E M， SALINAS M P， LEARY J P. Specific impulse prediction of solid-propellant motors［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 1980， 17（5）： 400-406.
[3]	COATS D， COLEGROVE P， DUNN S. A critical review of the SPP loss mechanisms［C］∥25th Joint Propulsion Conference. Reston： AIAA， 1989.
[4]	HERMSEN R W. Aluminum oxide particle size for solid rocket motor performance prediction［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 1981， 18（6）： 483-490.
[5]	陈林泉，侯晓，李岩芳，等. 固体火箭发动机喷管效率计算［J］. 固体火箭技术， 2002， 25（4）： 9-11.
	CHEN L Q， HOU X， LI Y F， et al. Calculation of nozzle efficiency for solid rocket motor［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2002， 25（4）： 9-11 （in Chinese）.
[6]	KUMAR N， BANSAL A. Modeling of turbulence， chemistry， and heat transfer of a rocket nozzle［J］. Acta Astronautica， 2024， 223： 495-504.
[7]	AKIKI M， MAJDALANI J. Compressible integral representation of rotational and axisymmetric rocket flow［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2016， 809： 213-239.
[8]	RESTREPO J C， BOLAÑOS-ACOSTA A F， SIMÕES-MOREIRA J R. Condensation shock topologies in carbon dioxide and a non-condensable gas mixture in supersonic nozzles［J］. Physics of Fluids， 2024， 36（4）： 046104.
[9]	ELIAS E， LELLOUCHE G S. Two-phase critical flow［J］. International Journal of Multiphase Flow， 1994， 20（S1）： 91-168.
[10]	HUNTER S， CHERRY S， KLIEGEL J. Gas-particle nozzle flows with reaction and particle size change［C］∥19th Aerospace Sciences Meeting. Reston： AIAA， 1981.
[11]	VASENIN I M， NARIMANOV R K， GLAZUNOV A A， et al. Two-phase flows in the nozzles of solid rocket motors［J］. Journal of Propulsion and Power， 1995， 11（4）： 583-592.
[12]	LOTH E， TYLER DASPIT J， JEONG M， et al. Supersonic and hypersonic drag coefficients for a sphere［J］. AIAA Journal， 2021， 59（8）： 3261-3274.
[13]	CAPECELATRO J， WAGNER J L. Gas-particle dynamics in high-speed flows［J］. Annual Review of Fluid Mechanics， 2024， 56： 379-403.
[14]	YANG Q J， YANG S L， YU H S， et al. Impact of Laval nozzle structure on the flow characteristics of supersonic gas-solid two-phase flow［J］. Powder Technology， 2024， 439： 119657.
[15]	BRYKOV N， EMELYANOV V， TETERINA I， et al. Drag and heat transfer of metal and oxide agglomerates in flow of combustion products of solid propellant［J］. Acta Astronautica， 2023， 205： 319-331.
[16]	于勇，刘淑艳，张世军，等. 固体火箭发动机喷管气固两相流动的数值模拟［J］. 航空动力学报， 2009， 24（4）： 931-937.
	YU Y， LIU S Y， ZHANG S J， et al. Numerical simulation of gas-particle flow in nozzle of solid rocket motor［J］. Journal of Aerospace Power， 2009， 24（4）： 931-937 （in Chinese）.
[17]	LI X， ZHANG H B， BAI B F. Particle-free zone of the two-phase flow in a convergent-divergent nozzle［J］. Powder Technology， 2021， 394： 1169-1177.
[18]	穆旭，田维平，董新刚，等. 固体火箭发动机喷管扩张段型面参数对其性能影响仿真分析［J］. 固体火箭技术， 2021， 44（2）： 254-263.
	MU X， TIAN W P， DONG X G， et al. Study on the effect of divergence contour parameters on performance of solid rocket motor nozzle［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2021， 44（2）： 254-263 （in Chinese）.
[19]	GROSSI M， SERENO A， BIANCHI D， et al. Numerical simulation of multiphase flows in solid rocket motors nozzles［C］∥AIAA Aviation 2022 Forum. Reston： AIAA， 2022.
[20]	GROSSI M， SERENO A， BIANCHI D， et al. Multiphase effects on solid rocket nozzle performance［J］. Journal of Propulsion and Power， 2023， 39（6）： 811-823.
[21]	李泓瑾，李军伟，谢侃，等. 两相流对固体火箭发动机塞式喷管性能的影响［J］. 航空学报， 2023， 44（16）： 127890.
	LI H J， LI J W， XIE K， et al. Effect of two-phase flow on performance of plug nozzle in solid rocket motor［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（16）： 127890 （in Chinese）.
[22]	黄浩，丰志伟，马立坤，等. 颗粒参数对轴对称超声速气固两相流喷管性能的影响研究［J］. 推进技术， 2023， 44（8）： 22010045.
	HUANG H， FENG Z W， MA L K， et al. Effects of particle parameters on performance of axisymmetric supersonic gas-solid two-phase flow nozzle［J］. Journal of Propulsion Technology， 2023， 44（8）： 22010045 （in Chinese）.
[23]	ADRIAN R J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics［J］. Annual Review of Fluid Mechanics， 1991， 23： 261-304.
[24]	RAFFEL M， WILLERT C E， WERELEY S T， et al. Particle image velocimetry： A practical guide［M］. Berlin， Heidelberg： Springer， 2007.
[25]	徐惊雷. PIV技术在超及高超声速流场测量中的研究进展［J］. 力学进展， 2012， 42（1）： 81-90.
	XU J L. The development of the PIV experimental study of the super/hypersoinc flowfield［J］. Advances in Mechanics， 2012， 42（1）： 81-90 （in Chinese）.
[26]	SAKAKIBARA K， YAMADA M， MIYAMOTO Y， et al. Measurement of the surrounding liquid motion of a single rising bubble using a Dual-Camera PIV system［J］. Flow Measurement and Instrumentation， 2007， 18（5-6）： 211-215.
[27]	GESCHWINDNER C， WESTRUP K， DREIZLER A， et al. Pulse picking of a fiber laser enables velocimetry of biomass-laden jets at low and ultra-high repetition rates［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2023， 39（1）： 1325-1335.
[28]	LIU T S， MERAT A， MAKHMALBAF M H M， et al. Comparison between optical flow and cross-correlation methods for extraction of velocity fields from particle images［J］. Experiments in Fluids， 2015， 56： 166.
[29]	SCARANO F， RIETHMULLER M L. Iterative multigrid approach in PIV image processing with discrete window offset［J］. Experiments in Fluids， 1999， 26（6）： 513-523.
[30]	FORE L B. Reduction of peak-locking errors produced by Gaussian sub-pixel interpolation in cross-correlation digital particle image velocimetry［J］. Measurement Science and Technology， 2010， 21（3）： 035402.
[31]	WESTERWEEL J. Efficient detection of spurious vectors in particle image velocimetry data［J］. Experiments in Fluids， 1994， 16： 236-247.
[32]	MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications［J］. AIAA Journal， 1994， 32（8）： 1598-1605.
[33]	MENTER F R， RUMSEY C L. Assessment of two-equation turbulence models for transonic flows ［C］∥25th AIAA Fluid Dynamics Conference. Reston： AIAA， 1994.
[34]	AGHA MIRJALILY S ALI. Calibration of the k-ω shear stress transport turbulence model for shock wave boundary layer interaction in a SERN using machine learning［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements， 2023， 146： 96-104.
[35]	AGHA MIRJALILY S ALI. Lambda shock behaviors of elliptic supersonic jets； a numerical analysis with modification of RANS turbulence model［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 112： 106613.
[36]	MORSI S A， ALEXANDER A J. An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1972， 55（2）： 193-208.
[37]	ROE P L. Approximate Riemann solvers， parameter vectors， and difference schemes［J］. Journal of Computational Physics， 1997， 135（2）： 250-258.
[38]	BURT J M， BOYD I D. Development of a two-way coupled model for two phase rarefied flows［C］∥42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2004.
[39]	NGUYEN A V， FLETCHER C A J. Particle interaction with the wall surface in two-phase gas-solid particle flow［J］. International Journal of Multiphase Flow， 1999， 25（1）： 139-154.
[40]	LOTH E， MARSHALL J S. Restitution coefficient models for collisions of airborne particles and drops［J］. Journal of Aerosol Science， 2023， 173： 106186.
[41]	SIRAVURI S， TABAKOFF W， GUNARAJ J A. Experimental investigation of particle rebound characteristics on turbomachinery leading edge geometry ［C］∥Proceedings of the ASME 1999 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. New York： ASME， 1999.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

结构对固体火箭发动机可视化喷管两相流动的影响

Influence of structure on two-phase flow in visual nozzle of solid rocket motor

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 19

参考文献 41

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	于宝石, 雷勇军, 申志彬, 张大鹏. 固体发动机药柱结构固化残余应力分析与控制技术[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 31083-031083.
[2]	王革, 王志邦, 王富祺, 关奔, 王立民, 宁浩然. 节流式燃/氧分离发动机准一维内弹道数值研究[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 129111-129111.
[3]	艾诗迪, 李军伟, 田忠亮, 韩磊, 王宁飞. 横向复合过载下固体火箭发动机压强振荡[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 130233-130233.
[4]	李文韬, 何允钦, 李文博, 张艺仪, 梁国柱. 固体火箭发动机三维装药的逆向设计与形状优化[J]. 航空学报, 2024, 45(11): 529089-529089.
[5]	李泓瑾, 李军伟, 谢侃, 李想, 杨正, 王宁飞. 两相流对固体火箭发动机塞式喷管性能的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 127890-127890.
[6]	吴建军, 胡泽君, 何志成, 张宇, 欧阳, 马正雪, 彭琴惠, 钟宇轩. 电控固体推进技术研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528716-528716.
[7]	李映坤, 韩珺礼, 陈雄, 周长省, 巩伦昆. 基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟[J]. 航空学报, 2017, 38(4): 120409-120409.
[8]	余家泉, 许进升, 陈雄, 周长省, 贾登, 李宏文. 推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究[J]. 航空学报, 2015, 36(12): 3861-3867.
[9]	熊文波;刘宇;任军学;张晓光. 基于单元法的三维装药通用燃面计算[J]. 航空学报, 2009, 30(7): 1176-1180.
[10]	任军学;刘宇;谢侃. 固体火箭发动机塞式喷管两相流场与性能分析[J]. 航空学报, 2007, 28(增): 23-27.
[11]	谢侃;刘宇;任军学;廖云飞. 两相流环缝塞式喷管设计方法[J]. 航空学报, 2007, 28(6): 1339-1344.
[12]	史峰;伊景海;徐忠. 平面叶栅内气-固两相流场的高速摄影[J]. 航空学报, 1993, 14(12): 636-638.
[13]	王松柏. 翼柱形固体火箭发动机的优化设计[J]. 航空学报, 1992, 13(4): 137-143.
[14]	王松柏. 固体火箭喷管排气中的粒子分布[J]. 航空学报, 1990, 11(12): 606-609.
[15]	沈亚鹏;王晓明;梁汉梁. 用Total Lagrangian增量有限元法分析固体火箭发动机的应力和变形[J]. 航空学报, 1989, 10(7): 387-383.