两相流对固体火箭发动机塞式喷管性能的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27890

流体力学与飞行力学

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两相流对固体火箭发动机塞式喷管性能的影响

李泓瑾, 李军伟, 谢侃(), 李想, 杨正, 王宁飞

北京理工大学宇航学院，北京　100081

收稿日期:2022-08-03 修回日期:2022-08-23 接受日期:2022-10-18 出版日期:2023-08-25 发布日期:2022-10-26
通讯作者: 谢侃 E-mail:xiekan@bit.edu.cn

Effect of two-phase flow on performance of plug nozzle in solid rocket motor

Hongjin LI, Junwei LI, Kan XIE(), Xiang LI, Zheng YANG, Ningfei WANG

School of Astronautics，Beijing Institute of Technology，Beijing 　100081，China

Received:2022-08-03 Revised:2022-08-23 Accepted:2022-10-18 Online:2023-08-25 Published:2022-10-26
Contact: Kan XIE E-mail:xiekan@bit.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对固体火箭发动机中气固两相流对塞式喷管性能的影响，利用颗粒轨道模型法计算了环喉型塞式喷管两相流流场，辨识颗粒在流场中的运动轨迹，分析不同粒径颗粒对流场及推力性能的影响。结合传统钟形喷管，比较不同工况下塞式喷管与钟形喷管的推力性能，分析气固两相流对塞式喷管高度补偿特性的影响。结果表明：随着颗粒粒径的增大，颗粒会出现交错式的运动，增加了流场的复杂性；单个颗粒与该截断式塞锥只会发生一次碰撞，且粒径越大，碰撞位置越靠前；单一粒径颗粒带来的推力性能损失与颗粒粒径成正比，与工作压比成反比；真实工作条件下，相比于钟形喷管，气固两相流在设计工况对塞式喷管带来约3%更多的推力效率损失，推力效率最终趋于弱于钟型喷管2.7%，但塞式喷管在低压比工况仍具有可观的性能优势。

关键词: 火箭喷管, 环喉型塞式喷管, 高度补偿, 两相流, 固体火箭发动机

Abstract:

To study the effect of gas-solid two-phase flow on performance of the plug nozzle in solid rocket motor， the two-phase flow field of annular plug nozzle was calculated by particle track model， the movement track of particles in flow field was identified， the influence of different particle sizes on flow field and thrust performance of nozzle was analyzed. Combined with traditional bell nozzle， the thrust performance of plug nozzle and bell nozzle under different working conditions was compared， the influence of gas-solid two-phase flow on the height compensation characteristics of plug nozzle was analyzed. The results show that with the increase of particle size， the particles will appear staggered motion， which increases the complexity of the flow field. And there is only one collision between a single particle and the truncated plug， and the larger the particle size， the more advanced the collision position. The thrust performance loss caused by single particle size is proportional to particle size and inversely proportional to working pressure ratio. Under real working conditions， compared with bell nozzle， gas-solid two-phase flow brings about 3% more thrust efficiency loss to plug nozzle in the design condition， and thrust efficiency eventually tend to be weaker than the bell nozzle at 2.7%， but plug nozzle still has considerable performance advantage in low pressure ratio condition.

Key words: rocket nozzles, annular plug nozzles, altitude compensated, two?phase flow, solid rocket motor

中图分类号:

V430

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.

Hongjin LI, Junwei LI, Kan XIE, Xiang LI, Zheng YANG, Ningfei WANG. Effect of two-phase flow on performance of plug nozzle in solid rocket motor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(16): 127890-127890.

图/表 22

图 1

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图 3

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表 1

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参考文献 24

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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

型面参数	数值	型面参数	数值
收敛比	3	喉部长度/m	0.01
扩张比	52	扩张段长度/m	1.104 9
喉径/m	0.163	初始扩张半角/（°）	29
出口直径/m	1.175 4	出口半角/（°）	17
收敛段长度/m	0.097 8

喷管	燃烧室平均压强/MPa	文献试验结果/N	本文仿真结果/N	误差/%
Aerospike 1	2.18	3 613.40	3 620.53	0.2
Aerospike 3	1.92	3 282.32	3 126.86	4.7

海拔/km	推力效率损失率（钟形）/%			推力效率损失率（塞式）/%
海拔/km	-1 μm	-10 μm	-50 μm	-1 μm	-10 μm	-50 μm
0	7.6	10.5	13.2	9.8	15.0	16.5
5	7.2	10.0	13.7	9.3	15.0	16.4
10	6.9	9.5	13.0	8.5	13.7	15.9
15	6.5	9.0	12.4	8.2	13.1	15.2
20	6.3	8.7	12.0	7.8	12.6	14.6
25	6.1	8.4	11.6	7.6	12.2	14.1
30	6.0	8.2	11.3	7.4	11.9	13.8

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