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基于MAC方法的膏体推进剂管道流动特性

单新有 李映坤 武炎 陈雄 何勇

单新有, 李映坤, 武炎, 等. 基于MAC方法的膏体推进剂管道流动特性[J]. 航空动力学报, 2023, 38(10):2430-2440 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220010
引用本文: 单新有, 李映坤, 武炎, 等. 基于MAC方法的膏体推进剂管道流动特性[J]. 航空动力学报, 2023, 38(10):2430-2440 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220010
SHAN Xinyou, LI Yingkun, WU Yan, et al. Pipe flow characteristics of pasty propellant based on MAC method[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(10):2430-2440 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220010
Citation: SHAN Xinyou, LI Yingkun, WU Yan, et al. Pipe flow characteristics of pasty propellant based on MAC method[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(10):2430-2440 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220010

基于MAC方法的膏体推进剂管道流动特性

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220010
基金项目: 国家自然科学基金(52006099); 中央高校基本科研业务费专项资金(30920021102)
详细信息
    作者简介:

    单新有(1990-),男,博士生,主要从事膏体火箭发动机技术研究。E-mail:sxynjust@163.com

    通讯作者:

    陈雄(1977-),男,教授、博士生导师,博士,主要从事火箭发动机总体技术研究。E-mail:chenxiongnjust@njus.edu.cn

  • 中图分类号: V513

Pipe flow characteristics of pasty propellant based on MAC method

  • 摘要:

    针对膏体推进剂管道内流动与挤出胀大问题,开发了基于标志网格(MAC)法和压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE)的非牛顿不可压流体求解器,膏体推进剂本构方程采用剪切稀化幂率(power-law)模型。通过膏体推进剂管道出口挤出形态数值仿真结果与实验结果的对比,验证了数值计算方法的可靠性和准确性。在此基础上,对膏体推进剂在管道内的流动与挤出过程进行数值计算,详细分析了不同时刻下膏体推进剂的流动过程与挤出胀大形态,研究了入口速度和管道直径对膏体推进剂管道流动特性的影响。结果表明: 膏体推进剂在挤出过程中,自由表面随时间变化,稳定阶段呈半球形,在管道出口存在明显的挤出胀大现象,当管道长度和直径不变时,压降和挤出胀大比都随入口速度的增加而增大;当入口速度相同时,压降和挤出胀大比随管径的增加而减小。

     

  • 图 1  多种流体标记示例:推进剂和空气的分类

    Figure 1.  Multi-fluid cell marked example: classification for propellant and air

    图 2  计算模型和网格

    Figure 2.  Calculational model and grids

    图 3  膏体推进剂管道流动x方向速度数值解和解析解

    Figure 3.  Numerical and theoretical velocity in x-direction of the pasty propellant flow in pipeline

    图 4  膏体推进剂挤出实验装置示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of the horizontal pasty propellant extrusion experiment platform

    图 5  膏体推进剂挤出管道的计算结果与实验结果

    Figure 5.  Calculated and experimental results of pasty propellant extruded from the pipe

    图 6  膏体推进剂挤出状态的实验和计算结果

    Figure 6.  Experimental and calculation results of the pasty propellant extrusion state

    图 7  膏体推进剂进入管道不同时刻流动自由表面的形态

    Figure 7.  Free surface morphology of the pasty propellant flowing into the pipeline at different times

    图 8  膏体推进剂管道外部不同时刻流动自由表面的形态

    Figure 8.  Free surface morphology of the pasty propellant leaves the pipeline at different times

    图 9  工况10条件下不同时刻流场黏度分布

    Figure 9.  Viscosity distribution of flow field under case 10 condition at different times

    图 10  工况10不同时刻流场内 x方向速度分布

    Figure 10.  x-velocity distribution of flow field under case 10 condition

    图 11  工况10不同时刻轴线处 x方向速度分布

    Figure 11.  x-direction velocity distribution on the axis at different times under case 10

    图 12  t=0.068 s时刻不同位置x方向速度分布

    Figure 12.  Velocity distribution in x-direction at different positions when t=0.068 s

    图 13  膏体推进剂在管道出口径向速度

    Figure 13.  Radial velocity of the pasty propellant at the outlet of the pipe

    图 14  不同入口速度下的管道流动压降曲线

    Figure 14.  Pressure drop of the pipe flow under different inlet velocities

    图 15  工况6条件下管道内压力变化曲线

    Figure 15.  Pressure variation curve in the pipe under case 6

    图 16  不同入口速度下的挤出胀大比

    Figure 16.  Extrusion swell ratio under different inlet velocities

    图 17  压降随管道直径的变化曲线

    Figure 17.  Pressure drop variation curve with different pipe diameters

    图 18  挤出胀大比随管道直径的变化曲线

    Figure 18.  Extrusion swell ratio variation curve with different pipe diameters

    表  1  计算工况

    Table  1.   Calculation cases

    变量工况d/mmuin/(m/s)
    入口速度16.000.50
    26.000.75
    36.001.00
    46.001.25
    56.001.50
    管道直径64.001.00
    76.001.00
    88.001.00
    910.01.00
    1012.01.00
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    表  2  膏体推进剂的一般成分

    Table  2.   General components of the pasty propellant

    组分类型质量分数/%
    AP氧化剂70.0
    HTPB黏结剂10.0
    金属颗粒金属添加剂5.0
    其他固化剂、黏合剂等15.0
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    表  3  工况1~工况5的计算结果

    Table  3.   Calculation results of case 1 to case 5

    工况uin/(m/s)dm/mmp/kPa$ \varepsilon $S/mm2
    10.506.362228.161.060167.38
    20.756.378273.751.063167.83
    31.006.396306.201.066168.35
    41.256.408334.061.068168.69
    51.506.414358.151.069168.86
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    表  4  工况6~工况10的计算结果

    Table  4.   Calculation results of case 6 to case 10

    工况d/mmdm/mmp/kPa$ \varepsilon $S/mm2
    64.0004.268730.671.06798.05
    76.0006.396306.201.066168.35
    88.0008.520164.551.065252.73
    910.0010.640102.881.064351.10
    1012.0012.75670.561.063463.40
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  • [1] 鲍立荣,陈永义,陈苏杭,等. 可控固体推进技术研究进展[J]. 推进技术,2020,41(5): 961-973.

    BAO Lirong,CHEN Yongyi,CHEN Suhang,et al. Research progress on controllable solid propulsion[J]. Journal of Propulsion Technology,2020,41(5): 961-973. (in Chinese)
    [2] PADWAL M B,NATAN B,MISHRA D P. Gel propellants[J]. Progress in Energy and Combustion Science,2021,83: 100885.1-100885.150.
    [3] FRISBEE R. Advanced propulsion for the ⅩⅪst century[R]. AIAA 2003-2589, 2003.
    [4] 李越森,王德升,李歧海. 脉冲式膏体推进剂发动机实验研究[J]. 航空动力学报,1998,13(3): 310-314.

    LI Yuesen,WANG Desheng,LI Qihai. An experimental research of pulse-gel propellant rocket motor[J]. Journal of Aerospace Power,1998,13(3): 310-314. (in Chinese)
    [5] 刘成浩,封锋,曹钦柳. 膏体燃气发生器启动特性研究[J]. 推进技术,2018,39(2): 374-379.

    LIU Chenghao,FENG Feng,CAO Qinliu. Study on starts of pasty propellant gas generator[J]. Journal of Propulsion Technology,2018,39(2): 374-379. (in Chinese)
    [6] KUKUSHKIN V I, IVANCHENKO A N. The pasty propellant rocket engine development[R]. AIAA-93-1754, 1993.
    [7] 张明信,张胜勇. 膏体推进剂点火和燃烧特性的实验研究[J]. 固体火箭技术,2003,26(2): 30-32.

    ZHANG Mingxin,ZHANG Shengyong. An experimental study on the ignition and combustion characteristics of pasty propellant[J]. Journal of Solid Rocket Technology,2003,26(2): 30-32. (in Chinese)
    [8] 张家仙,郑亚,鞠玉涛. 喷嘴型面对膏体火箭内弹道的影响[J]. 弹道学报,2009,21(4): 76-78, 83.

    ZHANG Jiaxian,ZHENG Ya,JU Yutao. Influence of nozzle profile on interior ballistics of pasty propellant rocket motor[J]. Journal of Ballistics,2009,21(4): 76-78, 83. (in Chinese)
    [9] 罗叶刚,邢玉明,刘鑫,等. 固-膏体燃气发生器热结构分析和仿真[J]. 北京航空航天大学学报,2018,44(8): 1772-1779.

    LUO Yegang,XING Yuming,LIU Xin,et al. Thermal structure analysis and simulation of solid-gelled propellant gas generator[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2018,44(8): 1772-1779. (in Chinese)
    [10] 张家仙,鞠玉涛,周超,等. 膏体推进剂模拟液直圆管流动特性[J]. 固体火箭技术,2009,32(4): 439-442.

    ZHANG Jiaxian,JU Yutao,ZHOU Chao,et al. Pasty propellant simulacrum flow characteristics in straight round pipe[J]. Journal of Solid Rocket Technology,2009,32(4): 439-442. (in Chinese)
    [11] 张蒙正,左博. 幂律型凝胶推进剂管路中的流动特性[J]. 推进技术,2009,30(2): 246-250.

    ZHANG Mengzheng,ZUO Bo. Flow behavior of power law model gelled propellant in the pipe[J]. Journal of Propulsion Technology,2009,30(2): 246-250. (in Chinese)
    [12] 曹琪,封锋,武晓松,等. 凝胶推进剂供给管流的压降数值研究[J]. 推进技术,2014,35(5): 701-707.

    CAO Qi,FENG Feng,WU Xiaosong,et al. Numerical study on pressure loss for gel propellants supply pipeline[J]. Journal of Propulsion Technology,2014,35(5): 701-707. (in Chinese)
    [13] 夏学礼,强洪夫,周志清. 凝胶推进剂弯管流动特性的数值实验研究[J]. 固体火箭技术,2011,34(6): 739-744.

    XIA Xueli,QIANG Hongfu,ZHOU Zhiqing. Numerical experiment research on flow property of gelled propellants in pipe-bending pipe[J]. Journal of Solid Rocket Technology,2011,34(6): 739-744. (in Chinese)
    [14] 邓寒玉,封锋. 射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验[J]. 航空动力学报,2018,33(1): 215-222.

    DENG Hanyu,FENG Feng. Experiment on effect of free jet length on impinging atomization of gel propellant[J]. Journal of Aerospace Power,2018,33(1): 215-222. (in Chinese)
    [15] 邓寒玉,封锋,武晓松,等. 基于锥形喷注器的凝胶推进剂流变特性数值研究[J]. 推进技术,2014,35(11): 1551-1557.

    DENG Hanyu,FENG Feng,WU Xiaosong,et al. Numerical studies on rheological characteristics of gel propellant with regard to tapered injectors[J]. Journal of Propulsion Technology,2014,35(11): 1551-1557. (in Chinese)
    [16] MCKEE S,TOMÉ M F,FERREIRA V G,et al. The MAC method[J]. Computers and Fluids,2008,37(8): 907-930.
    [17] TOMÉ M F,FILHO A C,CUMINATO J A,et al. GENSMAC3D: a numerical method for solving unsteady three-dimensional free surface flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids,2001,37(7): 747-796. doi: 10.1002/fld.148
    [18] 沈崇年, 刘鹤年. 非牛顿流体力学及应用[M]. 北京: 高等教育出版社, 1989.
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  • 收稿日期:  2022-01-08
  • 网络出版日期:  2023-07-04

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