约束和气动载荷对压力振荡与结构振动影响分析

作     者：蒲炜强 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王革;汪根来

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 083002[工学-环境工程] 1204[管理学-公共管理] 120402[管理学-社会医学与卫生事业管理(可授管理学、医学学位)] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0837[工学-安全科学与工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：固体火箭发动机 模态分析 双向流固耦合 压力振荡 结构振动 

摘      要：固体火箭发动机需在宽温域、强振动等多元复合环境下可控可靠稳定地工作。然而,近年来国内外某些型号的固体火箭发动机在地面静止试验中稳定工作,却在飞行试验中频繁出现推力、燃烧室压力剧烈振荡和结构强烈振动问题。这种天地差异现象已经成为固体火箭发动机研制过程中的共性瓶颈问题,严重阻碍着固体火箭发动机的生存与作战效能。目前很少有相关研究能够很好地解释这种压力振荡和结构振动天地差异现象,因此,开展多元复合飞行载荷环境下发动机不稳定机制研究,能够为飞行载荷环境下发动机压力振荡和结构振动的地面复现提供一定参考。本文基于地面试车的强约束条件及飞行试验的弱约束、气动力热载荷条件,采用模态分析方法研究了固体火箭发动机结构动力学特性和燃烧室声学属性,通过双向流固耦合计算方法和编写用户自定义函数(UDF)研究了发动机受到激励后压力振荡和结构振动特性。本文探讨了地面试车和飞行弱约束条件下发动机结构模态的差异,分析了发动机压力振荡和结构振动特性的差异,揭示了飞行弱约束条件下发动机失稳的机理,为解决固体火箭发动机压力振荡和结构振动天地差异现象提供一定参考。本文主要工作如下:1、深入分析了固体火箭发动机结构与压力相互作用过程中涉及的复杂现象,建立了相应的数学物理模型来描述可压气体流动、声场振荡、结构振动等物理过程。通过计算圆柱形空腔的声模态、铝板振动模态,模拟激波冲击柔性平板时的激波演化和平板振动过程,验证了数值模型的准确性和适用性。2、建立了固体火箭发动机包括工作前期(T1)、工作中期(T2)及工作后期(T3)的物理模型,分析了各工作阶段发动机的声模态,比较了强、弱约束和气动热载荷作用下各工作阶段发动机的结构模态。结果表明,相比于地面试车强约束条件,飞行弱约束条件下结构各阶频率显著下降,展现出发动机结构动力学特性的天地差异。飞行弱约束条件下,随着药柱退移和气动热载荷条件的改变,发动机第1阶声模态与结构伸缩模态的频率会出现相互接近再远离的趋势,当二者频率接近到一定程度时将满足结构与流场共振触发条件。3、对强、弱约束及气动力、热载荷作用下发动机受到脉冲触发后流场和结构相互作用规律进行了数值研究,通过对压力波沿轴向传播、反射过程及脉冲激励下发动机压力振荡和结构振动特性的分析,发现地面试车条件下的发动机很难被激发出不稳定现象,而飞行弱约束条件下处于共振失稳边缘的发动机受到频率接近一阶声频的气动力作用时,推力、压力会出现极限环振荡且结构振动会被放大,阐明了流场和结构非线性耦合振荡的内在机制。