脉冲式火箭发动机工作过程的数值分析+文献综述(2)
在固体火箭发动机的工作过程中，温度、压力以及气体的组分迅速变化，现有的
实验设备无论从精度以及灵敏度上大多不能满足实验要求，高温高压的环境亦影响发
动机的寿命，狭小测量环境对设备的大小也有着极大的限制，从而导致使用传统的实
验测量方法研究发动机内高速、多变的瞬态过程，无论在经济上、手段上以及理论上
均不大成熟，存在极大的困难。而数值模拟作为一种新型的研究方法，采用经过实验
验证的数学模型及方法对固体火箭发动机的工作过程进行数值分析，可以弥补实验研
究的不足，为固体火箭发动机的深入研究打下基础。
1.2 国内外研究现状 1.3 研究意义与背景
固体火箭是一种采用化学固体推进剂提供动力的火箭发动机，与液体燃料火箭相
比，固体火箭具有体积小、反应快、制造成本低、能够长时间贮存、能量密度高且可
靠性好的特点，是目前火箭武器的主要动力装置。固体火箭发动机的点火是一个极其
复杂的物理化学变化过程，包括传热、流动、相变、化学组分的质量和浓度扩散，以
及有关化学动力学等过程的复杂的瞬态现象。固体火箭发动机点火过程主要包括：由
点火器热气体所建立的燃烧室初始流动模型和压力水平；对推进剂药柱表面的热交
换；推进剂局部表面点燃；火焰沿药柱表面传播和燃烧室增压等过程。上述过程有时
还伴有如超压、滞火、爆轰、燃烧振荡、断续燃烧和熄火等许多不规则现象。爆轰波
的出现对自由装填的固体火箭发动机装药有巨大的的影响，压力波冲击药柱使药柱
内、外孔受到瞬态燃气压力的作用产生变形，降低发动机的性能，甚至使药柱产生裂
纹，导致发动机不能正常工作。点火是固体火箭发动机工作成败的关键，将直接影响
发动机的工作性能。
脉冲火箭发动机相比传统固体火箭发动机，体积更小，工作时间更短，推进剂肉
厚薄，因此点火过程中点火燃气的冲击对整个脉冲火箭发动机工作性能的影响更大。
点火过程中，点火燃气从点火具中高速喷出，形成的冲击波对脉冲火箭发动机的推进
剂产生冲击，可能使推进剂变形甚至碎裂，造成发动机失效。因此，对固体火箭弹发
动机点火过程中热流场进行深入研究有着非常重要的意义。
1.4 本文主要工作
本文针对脉冲固体火箭发动机瞬态工作过程进行数值分析，探索数值研究所需的
数学模型与方法，为深入研究数学模型及方法的可靠性积累经验。此外，本文试图研
究发动机关键结构对内部流动及其所引起冲击的影响，分析不同方案的优缺点。在学
习了固体火箭发动机点火过程的基础上，主要完成以下工作：
1 根据课题要求，对脉冲固体火箭发动机点火燃气对燃烧室流场的热冲击进行模拟；
2 定性的分析了点火炬结构形状对点火燃气流动状态的影响；
3 定性的分析装药形状对点火燃气流动的影响。
2 点火热冲击流场的数值模拟方法
2.1 基本方程及数学物理模型
2.1.1 基本方程
基本方程是基本定律的数学表达式，是对流动和燃烧过程进行数值模拟的理论
基础和出发点。基本方程的建立途径有许多，基本方程的表达式也不尽相同。本文研
究的气流流动具有紊流特征，在推进剂点燃之前，在笛卡尔坐标下的基本方程形式如
下：
1. 质量守恒方程（连续方程）
它是物质不灭定律的体现，通常称为连续方程。