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第1章 液体火箭发动机基础1

1.1 概述1

1.2 液体火箭发动机推力室1

1.2.1 推力产生过程1

1.2.2 推力室基本部件2

1.2.3 推力室工作过程4

1.2.4 推力室燃烧过程组织4

1.3 液体火箭发动机工作过程6

1.3.1 启动7

1.3.2 关机9

1.3.3 点火13

1.3.4 吹除与预冷14

1.4 液体火箭发动机主要性能参数15

1.4.1 推力15

1.4.2 总冲量与比冲量18

1.4.3 特征速度与推力系数19

1.4.4 推进剂质量混合比与混合比偏差22

1.4.5 推进系统参数对火箭性能的影响23

参考文献24

第2章 液体火箭发动机燃烧不稳定性25

2.1 概述25

2.2 燃烧不稳定性基本概念25

2.2.1 燃烧不稳定性激发的基本原理25

2.2.2 燃烧不稳定性的分类27

2.2.3 燃烧不稳定性研究评述29

2.3 燃烧不稳定性控制方法31

2.3.1 被动控制31

2.3.2 主动控制33

2.4 燃烧稳定性的评定36

2.4.1 稳定性评定目的36

2.4.2 稳定性评定方法37

2.5 燃烧不稳定性分析模型38

2.5.1 高频燃烧不稳定性分析模型38

2.5.2 低频和中频燃烧不稳定性分析模型39

2.5.3 燃烧不稳定性分析模型评述40

2.6 燃烧不稳定性数值计算基本步骤42

2.6.1 建立基本守恒方程组42

2.6.2 确定边界条件42

2.6.3 建立物理模型封闭守恒方程43

2.6.4 制定求解算法43

2.6.5 编制、调试程序43

2.6.6 模拟结果的试验验证43

2.6.7 改进模型及算法43

参考文献44

第3章 液体火箭发动机燃烧动力学模型46

3.1 概述46

3.2 气相流动控制方程46

3.2.1 直角坐标系46

3.2.2 圆柱坐标系49

3.2.3 任意曲线坐标系50

3.3 雾化过程模型53

3.3.1 离心式喷嘴54

3.3.2 直流自击式喷嘴55

3.3.3 直流互击式喷嘴55

3.3.4 同轴直流喷嘴56

3.4 液滴蒸发模型57

3.4.1 自燃推进剂分解模型57

3.4.2 自燃推进剂蒸发／分解燃烧模型58

3.4.3 液氧液滴高压蒸发模型61

3.4.4 烃类燃料液滴高压蒸发模型63

3.5 湍流流动模型65

3.5.1 代数模型66

3.5.2 单方程模型66

3.5.3 k-ε双方程模型66

3.6 两相流动模型68

3.6.1 颗粒轨道模型68

3.6.2 颗粒相在流场中的流动特性69

3.6.3 颗粒在流场中运动轨迹的求解71

3.6.4 液雾湍流扩散方程71

3.6.5 液滴对气相的源项72

3.7 湍流燃烧模型73

3.7.1 阿累尼乌斯定律73

3.7.2 E.B.U.模型74

3.7.3 其他燃烧模型75

参考文献76

第4章 液体火箭发动机燃烧动力学数值计算方法79

4.1 概述79

4.2 数值计算方法概述79

4.2.1 数值网格生成79

4.2.2 微分方程离散80

4.2.3 代数方程求解81

4.3 PISO算法81

4.3.1 通用方程的离散82

4.3.2 二阶迎风格式85

4.3.3 算子分裂方法86

4.3.4 非交错网格下压力一速度耦合方程89

4.3.5 差分方程组求解91

4.4 MacCormack算法92

4.5 边界条件92

4.5.1 入口边界条件93

4.5.2 出口边界条件93

4.5.3 对称轴处的边界条件93

4.5.4 壁面边界条件94

4.6 计算网格的生成94

参考文献96

第5章 自燃推进剂火箭发动机燃烧动力学98

5.1 概述98

5.2 自燃推进剂蒸发燃烧特性98

5.2.1 MMH蒸发特性98

5.2.2 NTO蒸发特性100

5.2.3 喷雾燃烧稳态流场102

5.3 燃烧不稳定数值评定104

5.3.1 不稳定燃烧模型104

5.3.2 燃烧稳定性评定方法105

5.4 燃烧稳定性影响因素106

5.4.1 雾化液滴平均直径107

5.4.2 推进剂初始温度108

5.4.3 燃烧室压力109

5.4.4 混合比110

5.5 声腔抑制燃烧不稳定性111

5.5.1 声腔理论模型111

5.5.2 非线性分析113

5.5.3 算例分析117

参考文献119

第6章 低温推进剂火箭发动机燃烧动力学121

6.1 概述121

6.2 同轴直流喷嘴喷雾燃烧过程动力学122

6.2.1 物理模型与方法122

6.2.2 氢氧燃烧动力学124

6.2.3 氢氧燃烧过程火焰稳定机理126

6.2.4 氢氧超临界喷雾燃烧过程演化机理127

6.3 氢氧火箭发动机燃烧稳定性影响规律130

6.3.1 混合比130

6.3.2 燃烧室压力132

6.3.3 喷射速度比132

6.3.4 氢喷射温度133

6.4 轮毂／径向喷嘴隔板抑制氢氧发动机燃烧振荡的效果与机理133

6.4.1 隔板燃烧室三维稳态燃烧流场133

6.4.2 燃烧室压力振荡特征的重现134

6.4.3 对切向模式燃烧不稳定的控制效果134

6.4.4 对径向模式燃烧不稳定的控制效果135

6.4.5 隔板抑制燃烧振荡的机理136

6.5 液氧／甲烷火箭发动机燃烧不稳定性评估138

6.5.1 三维燃烧流场138

6.5.2 燃烧不稳定性评估139

6.5.3 与氢氧火箭发动机燃烧特性的比较140

6.5.4 轮毂／径向喷嘴隔板抑制液氧／甲烷发动机低频燃烧振荡的效果141

6.5.5 低频燃烧振荡发生机理142

参考文献144

第7章 三组元液体火箭发动机燃烧动力学147

7.1 概述147

7.2 不稳定燃烧的非线性分析147

7.2.1 非线性动力学基本概念147

7.2.2 非线性场振子模型149

7.2.3 发动机燃烧过程中的混沌现象151

7.3 燃烧不稳定性影响因素分析153

7.3.1 氢含量154

7.3.2 活化能155

7.3.3 煤油液滴喷射速度155

7.3.4 煤油液滴尺寸分布特性156

7.4 亥姆霍兹谐振腔抑制燃烧不稳定性156

7.4.1 激发不稳定燃烧156

7.4.2 亥姆霍兹谐振腔对振荡的抑制作用157

7.5 燃烧不稳定性主动控制158

7.5.1 主动控制原理158

7.5.2 主动控制仿真结果159

参考文献160

第8章 液体火箭发动机内外燃烧流场一体化计算161

8.1 概述161

8.2 火箭发动机内外燃烧流场特征161

8.2.1 基本概念161

8.2.2 尾流效应162

8.2.3 关键技术162

8.3 火箭发动机内外燃烧流场数值计算结果164

8.3.1 物理模型与算法164

8.3.2 计算结果165

8.4 火箭导弹尾流辐射特性167

8.4.1 辐射传输方程167

8.4.2 辐射几何学168

8.4.3 计算结果168

参考文献171

第9章 液体火箭发动机系统响应动力学172

9.1 概述172

9.2 推进剂供应系统动态响应特性分析模型173

9.2.1 管路动力学方程173

9.2.2 贮箱增压气体状态方程175

9.2.3 沿程损失和局部损失175

9.2.4 水击压差估算176

9.3 推力室动态响应特性分析模型176

9.3.1 电磁阀的流量及损失模型176

9.3.2 喷注器的准稳态方程177

9.3.3 推力室动态过程分析模型177

9.4 系统动力学方程的求解方法179

9.4.1 特征线方法179

9.4.2 特征方程差分形式181

9.4.3 特征线方法的稳定性条件182

9.5 推进系统系统响应动力学特性182

9.5.1 管路瞬变特性182

9.5.2 启动与关机过程动态特性185

9.5.3 推进系统脉冲工作特性187

参考文献189

附录190