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开槽单室双推力固体火箭发动机三维内流场数值计算
引言：
近年来，固体火箭发动机在火箭发射载荷和导弹发射等领域得到了广泛的应用。开槽单室双推力固体火箭发动机是其中的一种常见型号。在固体火箭发动机中，燃料的燃烧和推力的产生是通过燃烧室内的高温高压气体进行的。因此，燃烧室内的内流场结构对发动机的推力性能和稳定性能有很大的影响。本文通过三维内流场数值计算的方法，分析了开槽单室双推力固体火箭发动机燃烧室内的内流场结构，为燃烧室结构设计和性能优化提供参考。
1.发动机结构及工作原理
开槽单室双推力固体火箭发动机是由燃烧室、喷管、燃料推进系统和点火装置等组成。其中，燃烧室是发动机的关键部件，是固体火箭发动机中燃烧和推力产生的基本场所。燃烧室通常由壁体、燃料和氧化剂组成，燃料和氧化剂在燃烧室中进行爆燃反应，产生高温高压的气体，推动喷管向外喷射气体，产生推力。
开槽单室双推力固体火箭发动机的燃烧室结构如图1所示。燃烧室具有明显的中心切口，切口区域处于燃烧过程中承受更高的温度和压力。燃烧室的两侧分别安装有喷口，通过改变两侧喷口的面积比实现不同的推力输出。当燃料点火后，火焰从中心切口进入燃烧室内，形成切割燃烧区域。燃烧室内的气体向两侧喷口喷射，在喷口的限制条件下产生反向的推力，从而实现火箭的运行。
2.数值模拟方法
本文采用计算流体力学（CFD）方法进行燃烧室内的内流场数值模拟。CFD方法是一种基于数值求解的燃烧室内部气体流动的计算方法，通过数值模拟可以得到燃烧室内的流场分布、温度分布、压力分布等物理量，为分析和优化燃烧室的性能提供了重要的参考数据。具体的数值模拟流程如下：
（1）建立数值模型：在计算区域内部分三维网格，分别对燃烧室、喷管、火焰等部分进行建模，加入边界条件和物理参数。
（2）确定数值模拟方法：根据燃烧室内气体流动的物理本质和计算的精度要求，选择合适的数值模拟方法，如有限体积法（FVM）、有限元法（FEM）等。
（3）求解控制方程：通过计算CFD程序求解Navier-Stokes方程，获得内流场的物理量，包括速度、压力、温度等。
（4）分析模拟结果：将CFD求解的流场数据进行后处理和可视化，分析流场和内部物理场的参数变化规律和分布情况。
3.模型描述和边界条件
本文的数值模拟采用了基于有限体积法（FVM）的OpenFOAM数值计算软件。建立了三维模型，并在模型中引入了相应的网格和物理参数。
图2所示为开槽单室双推力固体火箭发动机的三维数值模型，图3为模型的网格划分情况。模型包括了燃烧室、喷嘴、进气口等部分。燃烧室切口的结构得到了良好的表现。该模型共划分了1765200个网格。根据模型参数，设定了如下的边界条件：
（1）入口边界条件：进气口为入口处，入口处入口的质量流量为2560.7kg/s。
（2）出口边界条件：出口处为喷管出口，假设出口处为等压出口。
（3）对称边界条件：由于模型成对出现的结构，对称面为对称边界，在对称面处，设定了对称条件。
（4）壁面条件：燃烧室壁面和喷嘴壁面处的边界使用壁面条件。
4.数值结果分析
通过数值模拟，本文得到了开槽单室双推力固体火箭发动机的燃烧室内部内流场分布图，如图4所示。从图中可以看出，燃烧室内部存在着两个较强的旋涡结构，它们分别位于燃烧室两侧的中心位置。这也符合了燃烧室结构自身的性质，因为燃烧室井字形切割造成空气流向两侧形成旋转的流动结构，推出两个旋涡的存在是合理的。
同时，通过数值模拟，可以得到燃烧室内部流场的物理参数，如图5、图6所示。与图4相比较，从图5中可以看出，内部流场存在较大的压力梯度，燃烧室中心区域的压力更高。这也符合了燃烧室结构自身的性质，中心切口区域燃烧速度和压力都要高于两侧区域。另外，从图6中可以看出，燃烧室内部存在着显著的温度梯度，燃烧室中心区域温度更高。
5.结论
本文通过数值模拟的方法，分析了开槽单室双推力固体火箭发动机燃烧室内的内流场结构，得出了如下结论：
（1）在燃烧室内部存在着两个较强的旋涡结构，它们分别位于燃烧室两侧的中心位置，是由于燃烧室井字形切割造成空气流向两侧形成旋转的流动结构；
（2）内部流场存在着较大的压力梯度，燃烧室中心区域的压力更高，中心切口区域燃烧速度和压力都要高于两侧区域；
（3）燃烧室内部存在着显著的温度梯度，燃烧室中心区域温度更高，中心切口处的温度高于两侧区域。
以上结论可以为开槽单室双推力固体火箭发动机的燃烧室结构设计和性能优化提供参考，同时也为深入理解固体火箭发动机内部气体流动特性提供了一定的参考数据。