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摘要纵观固体火箭发动机的设计和研发过程，为达到设计目标、缩短开发周期以及降低开发成本，需要对发动机真实工作过程进行三文数值仿真。然而，数值计算中许多物性参数如输运系数的准确快速计算存在较大困难，而输运系数的准确计算对发动机设计性能具有很大的影响。因此，实现固体火箭发动机燃气输运系数的自动模拟计算具有很强的实际应用意义。通过对数学模型进行分析研究,经过需求分析、概要设计、详细设计、编码、测试等过程，完成了适用于固体火箭发动机内多组分混合物输运系数的自动计算程序。经过算例测试，结果显示程序的计算结果符合精度要求。最后应用自动计算程序对真实型号发动机内的输运系数进行了应用计算。 27401
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毕业论文关键词 固体火箭发动机 输运系数 数值仿真 自动模拟计算
Title The Automatic Calculation of Combustion Gas Transport Coefficients in Solid Rocket Motor
Abstract Throughout the design and development process of solid rocket motors, we need three-dimensional numerical simulation of the engine's working process in order to achieve design goals, shorten development cycle and reduce development costs. However, it is difficult to calculate many physical properties such as transport coefficients quickly and accurately in numerical procedure. And the accurate calculation of the transport coefficients has great impact on engine design performance, so achieving the automatic calculation of combustion gas transport coefficients in solid rocket motor has a strong practical significance. Through analysis and study of the mathematical model，after needs analysis, outline design, detailed design, coding, testing and other processes，complete the automatic calculation program of transport coefficients that is suitable for multi-component mixtures within the solid rocket motor. After an algorithm testing, the result shows that calculation results of program meet the accuracy requirements. At last, apply the automatic calculation program to calculate the transport coefficients of a real model engine. Keywords Solid rocket motor Transport coefficients Numerical simulation Automatic calculation
目 次
1 绪论 1
1.1 研究背景. 1
1.2 相关研究现状. 1
1.3 程序设计语言简介及选择. 5
1.4 本文研究内容和方法. 6
2 输运原理和数学模型 7
2.1 输运定律. 7
2.2 伦纳德-琼斯势能计算模型 . 8
2.2.1 单组份气体 9
2.2.2 多组分气体混合物 11
3 自动计算模型的实现 13
3.1 数据库文件的创建. 13
3.2 设计自动计算程序. 15
3.2.1需求分析及概要设计. 15
3.2.2详细设计. 16
3.2.3程序对数据库数据的读取 19
3.2.4编程实现设计. 19
4 自动计算程序的测试及应用 27
4.1 程序的测试. 27
4.2 程序的应用. 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录A 程序源代码 35
附录B 程序界面 57
1 绪论 1.1 研究背景 喷气发动机的工作物质是多种组分组成的高温燃气，组分之间存在复杂的能量、动量等形式的交换即所谓输运过程。输运过程是由于系统中某个宏观参量分布不均匀而引起相应物理量的迁移现象。气体的输运过程包括粘滞现象、热传导现象和扩散现象。粘滞现象是当气体流动时,由于流速分布不均匀引起的动量传递,形成动量流,即粘滞作用力；热传导现象是由于气体温度分布不均匀引起的热量传递,形成热流；扩散现象则是由于气体的密度分布不均匀引起的质量传递,形成质量流[1]。输运系数是对输运过程进行描述的重要参数，其包括粘性系数、导热系数以及扩散系数。 固体火箭发动机的设计研发是一个系统性的任务，为了满足设计任务指标、缩短开发周期、降低研发成本以及明确固体火箭发动机的作用原理，对其工作过程进行三文数值仿真成为必要步骤和手段。 在模拟固体火箭发动机的内流过程时常常需要发动机内流流体输运系数的计算，包括导热系数、黏性系数以及扩散系数。固体火箭发动机内流流体的输运过程对发动机设计性能具有很大的影响，因此准确计算它们的输运系数具有至关重要的作用。 固体火箭发动机内流流体通常是高温高压环境下复杂的多组分混合物，当前其输运系数的准确快速计算存在较大困难，需要从手册中查询相关数据然后进行手工计算，其计算过程费时费力且准确度得不到保障。输运系数快速自动计算的实现，可以避免繁琐的查表计算过程以及人为的计算错误等问题，从而提高整个数值模拟过程的效率，最终达到缩短固体火箭发动机研发周期、降低研发成本的目的。因此本研究具有较强的实际应用意义。 1.2 相关研究现状 实现输运系数的准确计算，重要的任务是分析选用合适的计算模型，回顾相关发展研究历程，研究分析相关文献，可归纳得到如下内容： 通过现代分子结构的相关知识可以知道，原子构成分子，而带正电的原子核和带负电的电子构成原子，电子围绕原子核进行运动，形成电子云。偶极分子之间、分子的诱导偶极与偶极分子之间以及分子的瞬间偶极之间的相互作用产生分子间的相互吸引力。伴随着分子之间距离的缩短，其相互之间的吸引力将越来越强。然而，当两个分子之间的距离非常小时，因其各自的电子云相互重叠，其相互之间的排斥力明显增强。 原则上，我们可以利用量子力学的相关知识推算出相互作用势能的一般解析式，但其计算过程比较复杂，而且只适用于计算稀有气体原子以及少数简单原子之间的相互作用。目前在大多数情况下，只有依据上述的基本原理和各种实验结果，进行简化和假设，提出各种近似的数学模型，从而进一步推导出半经验或经验的势能解析函数。 计算伴随有化学反应燃烧现象的混合气体流动过程的输运系数的数学模型有： (1)硬球分子模型：硬球分子模型是指两相互接触的分子之间产生的排斥势能为无穷大而成为完全刚性球体，即不产生变形或完全不可被压缩。这种硬球分子模型通常又分为两种： (a)简单硬球模型：这种模型完全忽略了分子间的吸引势能。它的势能函数为 �(�) = ∞，� ≤ ��(�) = 0，� > �} 式（1.1） 如图 1.1 左图所示，式中δ为硬球直径。这种模型过于简单、粗糙，与实际相差太远。但因数学处理及其容易，故在许多理论分析中还经常用到它。化学动力学中双分子碰撞理论就是采用这种模型。 (b)方阱硬球模型：这种模型的势能曲线呈方阱状，如图 1.1 右图所示，其势能函数为 �(�) = ∞，� < ��(�) = −�，
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