粒子侵蚀下绝热材料烧蚀模型及数值计算研究

With the improvement of operating pressure and popular implement of propellant of high content of aluminum, the combustion gas in solid rocket motor (SRM) contains large amounts of alumina particles. Ablation of insulation material eroded by particles is a critical problem to design of construction of thermal protection. A great deal of experimental and theoretical researches on insulation material ablation were carried out at home and abroad, which resulted in great progress at thermochemical ablation studies. The thermochemical ablation model was improved from the early surface ablation to the current body ablation model. However, when particles erosion was coupled with the thermochemical ablation, empirical relationships were commonly used , and even the pipeline particle erosion model was directly introduced. Obviously, they are unable to respond to the nature of partilce erosion in solid rocket motor. So, based on the pore sructure and mechnical properties of charring layer, the project intends to set up guide line of charring layer breakage, analyze the mechanism that particle impact on the surface of charring layer,thereby, reveal the mechanism of particle erosion and modeling particle erosion model on the basis of theoretical analysis, and conduct experiments to validate the model. Finally, the research on the method of coupling particle erosion with thermochemical ablation will be carried out. It will be expected to provide a basis for the design of thermal structure of solid rocket motor.

随着高含铝量复合推进剂的推广使用，固体火箭发动机燃气中含有大量的凝相粒子，粒子侵蚀下的绝热材料烧蚀是固体火箭发动机热结构设计中的一个关键问题。国内外关于绝热材料烧蚀进行了大量的试验和理论研究，在热化学烧蚀研究方面取得较大进展，从早期的面烧蚀的热化学烧蚀模型发展到目前的体烧蚀模型。然而，在耦合粒子侵蚀作用时，普遍采用经验关系式，甚至直接应用管道粒子侵蚀模型，以至无法反应固体火箭发动机中粒侵蚀本质。本项目拟基于绝热材料炭化层孔隙结构及力学性能，建立炭化层破坏准则，分析粒子与炭化层表面作用关系，揭示粒子侵蚀机理，在理论分析基础上建立粒子侵蚀模型，并开展实验对模型进行验证。最后应用所建立的模型开展粒子侵蚀下绝热材料烧蚀与燃气流动的耦合计算方法研究，以期为固体火箭发动机热结构的绝热材料设计提供依据。

本项目针对EDPM绝热材料在固体火箭发动机中粒子侵下的烧蚀机理开展了研究。首先通过实验分析了炭化层结构特性，并应用液滴与壁面相互作用动力学机制分析了粒子与炭化层表面相互作用形式，得到的结论为:. (1) 绝热材料炭化层为多孔的孔隙结构，其主要元素成份为C；. (2) 由液滴与壁面相互作用动力学机制分析可知，粒子与壁面相互作用机制可近似处理为反弹。. 基于以上结论，建立了反弹机制的粒子对炭化层表面侵蚀力计算模型；根据能量守恒原理建立了粒子对炭化层机械剥蚀模型，模型体现了粒子侵蚀力超出炭化层极限应力时，才能发生机械侵蚀作用；应用固体多孔介质理论建立了炭化层关于孔隙率为参数的力学性能计算模型，并针对以上模型中相关参数进行了实验测量研究，完善了粒子侵蚀计算模型。. 其次，应用X射线实时成像法进行了EPDM绝热材料动态烧蚀率测量实验研究。得出两种工况下炭化层表面随烧蚀时间的退移过程，经过分析得出了绝热材料的动态烧蚀率，为粒子侵蚀下的绝热材料烧蚀数值模型提供了实验验证。. 最后，在综合考虑绝热材料烧蚀各物理过程之间相互耦合关系的基础上，建立了绝热材料烧蚀与发动机内流动耦合计算的数值模型，应用该模型对两种动态烧蚀实验工况的发动机绝热层烧蚀进行了数值计算。计算中，以通用商业CFD软件Fluent为计算平台，对发动机内多组份燃气流动、粒子相颗粒运动及辐射传热和炭化层内多孔介质流动过程进行了耦合计算，并通过UDF编程实现对炭化层孔隙率、比表面积更新、炭化层强度、粒子侵蚀力、气流剪切力、热解层的热解速率及炭化层机械剥蚀量的计算，实现燃气与炭化层交界面和炭化层与基体层交界面（热解面）的动态移动过程的模拟。计算结果分析了各时刻的炭化层结构、孔隙率分布以及炭化层温度分布，并得出绝热材料最大平均烧蚀率和不同烧蚀位置处的瞬时烧蚀率，与实验结果对比分析表明，数值计算模型及方法具有较高的精度。