固体发动机中粒子的空间非均匀分布研究

Currently, the combustion instability still faces the huge challenge, especially with the increasing utilization of high energy propellant. The unsteady combustion frequently occurred, nevertheless, the understanding of the combustion instability and the method to avoid are far behind the demands. Recently, researchers begin to realize that the property of particle, in particular the nonuniform space distribution, not only affects the damping ability, but also influences the distributed combustion which subsequently becomes the gain factor of unsteady combustion. In the solid rocket motor, the inertia force due to the flight state and the acoustic force due to the inherent acoustic field in combustor significantly influence the particle space distribution. Since the experimental techniques and the traditional mathematical methods suffer the difficulty to capture the particle scale information and the interactions between acoustic and particles, the CFD-DEM based numerical way turns into the best way to conduct the investigation. Thus, in this project, based on CFD-DEM, the aim is to establish a mathematical frame involving gas-particle flow, flight state and acoustic filed, to study the particle space distribution, and finally provide new theoretical support to combustion instability.

固体火箭发动机的燃烧稳定性目前依然是重大的技术挑战，特别是随着高能推进剂的使用，非线性燃烧不稳定问题时有发生，目前对其产生机理和抑制方式仍然没有深刻的认识。凝相粒子非均匀空间分布不但会改变粒子的阻尼效果，还可能对金属粒子的分布式燃烧产生影响，从而显著改变发动机内的增益和阻尼。粒子的非均匀空间分布同时受到飞行状态下产生的惯性力和发动机内部固有的声场压强振荡的影响，对其进行科学、准确的描述非常关键。本项目旨在建立耦合声场的CFD-DEM数学模型，融合外加惯性力场及内部声场的影响，获得固体发动机中燃烧不稳定产生和发展过程中粒子的非均匀空间分布特性，为燃烧不稳定提供基础理论和依据。

固体火箭发动机的燃烧稳定性目前依然是重大的技术挑战，特别是随着高能推进剂的使用，非线性燃烧不稳定问题时有发生，凝相粒子非均匀空间分布不但会改变粒子的阻尼效果，还可能对金属粒子的分布式燃烧产生影响，从而显著改变发动机内的增益和阻尼。本项目围绕固体发动机中燃烧不稳定产生和发展过程中粒子的非均匀空间分布的这一问题，为克服实验难以测量，传统数值方法难以获得粒子尺度微观信息的难题，本项目以离散元（DEM）方法为中心，逐步建立了适合固体火箭发动机的CFD-DEM两相流模型，考虑声场作用的两相流单向耦合模型，以及考虑声场的CFD-DEM-BEM双向耦合模型。通过对声控微流体过程的仿真，发动机燃烧室声场的仿真以及发动机两相流仿真，对模型进行了校验。分别针对声场作用下及彻体力作用下的粒子行为开展了研究工作，研究了粒子空间分布，粒子受力以及粒子与壁面相互作用过程，获得了声波极限环建立过程中粒子的空间分布特性以及运动特征，过载条件下粒子瞬时空间分布改变及粒子阻尼（对声场）的变化规律，完成了本项目的全部研究内容，实现了研究目标，为发动机燃烧不稳定研究提供理论基础和依据。同时验证流-固-声模型的过程中，成功将模型应用于微流体控制的仿真中，为该领域的仿真提供了一种新的模型，现已将该方向开拓为项目组一个新的研究领域。