液体火箭发动机喷管仿真模型

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研究背景

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火箭发动机喷管是进行能量转换并产生推力的重要部件，对其流场进行仿真分析是优化喷管设计和控制流动分离过程的必需环节。因为火箭发动机常用的拉瓦尔喷管结构简单，所以在计算流体力学（CFD）广泛应用的今天，对这种简单结构内流场的仿真似乎已经不成问题，流行的CFD软件几乎都可以“轻松地”算出喷管中的参数变化。但是在真正的喷管优化设计中，必须认真考量所采用的仿真模型，因为计算结果的偏差势必会影响后续的设计过程。

仿真是通过数学方法模拟真实世界，其“保真”过程有两个环节，首先是数学模型是否真正反映了物理过程，其次是求解数学模型的过程是否准确。“液体火箭发动机喷管仿真模型研究”一文以典型的液体火箭发动机（3kN空间发动机，120吨级液氧煤油发动机，260吨级液氧煤油发动机）喷管为例，深入讨论气体模型、化学反应模型等因素对仿真结果的影响，并进一步厘清影响喷管性能的物理因素。

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创新点

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文章详细对比了采用不同气体模型所计算的流场参数分布和性能，指出在实际的非平衡气体流动中，化学组分的变化起耗散作用。比较了燃烧室压强对性能的影响，指出了提高室压可以增强性能的化学动力学内因。针对液氧煤油发动机，探讨了喷管型面对性能的影响。

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总结与展望

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采用量热完全气体假设所计算的比冲高于用热完全气体假设的计算值；这两种气体模型给出的计算结果偏差较大，可能高于、也可能低于试车结果，没有规律性；化学动力学计算结果比较准确，接近试车测试值。提高室压不仅能提高燃烧效率，也能促进聚合反应、减小流动过程中的化学动力学损失，使喷管性能提高。对于液氧煤油发动机，Rao方法设计的喷管型面偏“瘦”，进行附面层修正可略提高性能，或在同样性能要求下略减小喷管长度。

未来在喷管精细化设计和相关流动的研究中，应以化学非平衡流动仿真模型作为计算工具，才能实现更接近实际的目标。

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团队介绍

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孙得川

大连理工大学航空航天学院孙得川教授团队主要从事火箭发动机及高温气动热防护方面的研究工作，在火箭发动机仿真建模、喷管设计、热环境实验研究等方面形成了有特色的研究方向并处于行业领先水平。如建立了可指导工程应用的单组元发动机计算模型；提出了真空发动机高性能喷管设计的新方法；设计、建设了模拟高超声速气动热环境的低成本地面试验装置；提出了高温气动热环境地面模拟参数相似的新准则，有效扩大了地面试验的模拟参数范围。

(1) 孙得川, 贤光. 超声波测量大尺寸固体火箭发动机燃速的关键技术. 兵工学报, doi: 10.12382/bgxb.2021.0805.

(2) 孙得川, 金盛宇. 氢氧涡流燃烧推力器设计方案仿真研究. 推进技术, 2022, 43(4):185-194.

(3) De-chuan Sun, Jun Liu, Wei-bin Xiang. Numerical simulation of the transient process of monopropellant rocket engines. Aerospace Science and Technology, 2020, 103, 105921. 

(4) 孙得川, 姚天亮. 硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机起动过程的模拟. 推进技术, 2020, 41(1): 58-64.

(5) De-chuan Sun, Wei-bin Xiang. Simplified numerical simulation model for hydroxyl ammonium nitrate-based monopropellant rocket engines. Aerospace Science and Technology, 2019, 95, 105474.

(6)Dechuan Sun, Tianyou Luo, Qiang Feng. New Contour Design Method for Rocket Nozzle of Large Area Ratio. International Journal of Aerospace Engineering, Volume 2019, 4926413. 

(7) 孙得川, 曹梦成, 刘俊, 林庆国. 颗粒无序分布的堆积床内部流动与传热分析. 推进技术, 2018, 39(3): 612-618.

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引用格式

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[1]孙得川,杨建文.液体火箭发动机喷管仿真模型[J].火箭推进,2022,48(02):56-65.

SUN Dechuan,YANG Jianwen.Nozzle simulation model of liquid rocket engine[J].Journal of Rocket Propulsion,2022,48(02):56-65.