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第1章引言1

1.1液体火箭发动机的基本结构1

1.1.1推进剂供应系统1

1.1.2推力室4

1.2液体火箭发动机的内部燃烧过程10

1.2.1启动和关机过程10

1.2.2燃烧过程12

1.2.3工作过程的性能参数14

1.3液体火箭发动机燃烧过程数值仿真的特点及发展历程15

1.3.1液体火箭发动机燃烧过程数值仿真的作用15

1.3.2液体火箭发动机工作过程数值仿真的主要内容16

1.3.3液体火箭发动机燃烧过程的数值仿真发展历程17

1.4化学流体力学基本控制方程组18

1.5本书的主要内容20

参考文献21

第2章液体推进剂雾化机理和雾化模型22

2.1液体火箭发动机喷注器类型和作用22

2.2液体推进剂雾化机理23

2.2.1静态液滴的形成23

2.2.2圆柱射流破碎24

2.2.3液膜破碎29

2.2.4液滴二次破碎34

2.3液体火箭发动机中雾化性能评价指标41

2.3.1喷雾尺寸分布函数41

2.3.2平均直径与特征直径42

2.3.3喷雾尺寸分布的测量43

2.4液体火箭发动机喷嘴雾化模型47

2.4.1直流式喷嘴47

2.4.2离心式喷嘴47

2.4.3撞击式喷嘴50

2.4.4同轴剪切式喷嘴54

2.4.5同轴离心式喷嘴56

2.5液体推进剂喷雾数值模拟58

2.5.1液体推进剂雾化过程数学模型58

2.5.2拟流体模型61

2.5.3颗粒轨道模型62

2.5.4界面追踪法在雾化数值模拟中的应用65

参考文献67

第3章液滴蒸发燃烧模型70

3.1液滴在常压下的准定常蒸发燃烧理论70

3.1.1液滴在静止气体中无燃烧时的准定常蒸发理论70

3.1.2液滴在静止气体中有燃烧时的准定常蒸发理论74

3.1.3液滴在对流介质中的无燃烧蒸发理论77

3.1.4液滴在对流介质中的有燃烧蒸发理论78

3.2高压下液滴蒸发模型78

3.2.1 ZKS液滴高压蒸发理论79

3.2.2应用液相活度系数计算高压气液平衡的方法83

3.3振荡环境下推进剂液滴亚临界蒸发响应特性85

3.3.1物理模型85

3.3.2算例及结果分析87

3.4多组分燃料液滴蒸发模型88

3.4.1简单多组分液滴蒸发模型89

3.4.2复杂多组分混合物液滴蒸发的连续热力学模型97

3.5液滴群蒸发104

3.5.1群燃烧数定义104

3.5.2液滴群燃烧模式105

参考文献107

第4章湍流流动模拟109

4.1湍流模式理论及方程109

4.1.1代数模型110

4.1.2一方程模型111

4.1.3两方程模型113

4.1.4湍流模型修正116

4.1.5非线性湍流模型120

4.1.6雷诺应力模型124

4.1.7模型评述126

4.2大涡模拟理论及方程127

4.2.1大涡模拟的基本思想127

4.2.2大涡的运动方程128

4.2.3亚格子尺度模型129

4.2.4混合RANS/LES方法134

4.3两相湍流模型138

4.3.1颗粒湍流的Hinze-Tchen代数模型138

4.3.2两相湍流的k-ε-kp和k-ε-Ap模型139

参考文献140

第5章湍流燃烧模型143

5.1化学反应项的平均143

5.2扩散火焰的设定PDF——快速化学反应模型145

5.2.1概念和假设145

5.2.2 κ-ε-Z-g方程组146

5.2.3概率密度分布函数147

5.2.4设定型PDF148

5.2.5截断型高斯分布的PDF149

5.3预混火焰的有限反应速率EBU-Arrhenius模型150

5.4关联矩模型151

5.4.1时均反应率151

5.4.2关联矩的封闭152

5.5湍流燃烧的火焰面模型153

5.5.1扩散火焰面模型153

5.5.2预混火焰面模型155

5.6湍流燃烧的PDF输运方程方法156

5.6.1概率密度函数的输运方程156

5.6.2湍流PDF方程的封闭问题158

5.6.3密度加权平均的单点联合概率密度函数的输运方程159

5.6.4概率密度函数的输运方程的求解159

5.7湍流燃烧的大涡模拟160

5.7.1湍流燃烧大涡模拟的控制方程161

5.7.2亚格子尺度燃烧模型163

参考文献169

第6章传热模型及模拟171

6.1燃烧室壁对流传热模型171

6.1.1燃气对流传热模型172

6.1.2冷却对流传热模型173

6.2燃烧室壁热传导模型176

6.2.1傅里叶导热定律176

6.2.2一维稳定热传导176

6.2.3二维稳定热传导177

6.2.4非稳态热传导178

6.3辐射换热模型178

6.3.1辐射的基本定律178

6.3.2辐射热流密度计算经验模型183

6.3.3燃烧过程辐射换热数值模拟184

参考文献190

第7章燃烧不稳定模型191

7.1概述191

7.1.1燃烧不稳定性表现形式192

7.1.2不稳定燃烧分类192

7.1.3燃烧不稳定性的特点194

7.2燃烧不稳定的声学基础195

7.2.1供热或供质激起声振荡的Rayleigh准则195

7.2.2声波与声振荡196

7.2.3燃烧室内的声振型197

7.2.4火箭发动机内的自激振荡200

7.3液体火箭发动机燃烧过程的响应特性201

7.3.1推进剂供应系统的响应特性202

7.3.2喷射雾化过程的响应特性203

7.3.3液滴蒸发过程的响应特性204

7.4敏感时滞模型n-τ204

7.4.1燃烧时滞204

7.4.2敏感时滞模型205

7.5液体火箭发动机燃烧稳定性非线性理论213

7.5.1非线性场振子模型215

7.5.2均匀反应器声振模型216

7.5.3时空相互作用动力学模型219

7.5.4燃烧不稳定的一般热力学分析220

7.6不稳定燃烧的控制措施221

7.6.1被动控制222

7.6.2主动控制223

7.6.3第三种控制方法224

参考文献225

第8章液体火箭发动机燃烧过程数值方法及计算实例228

8.1两相多组分反应流基本控制方程228

8.1.1气相控制方程228

8.1.2液相颗粒轨道模型230

8.1.3湍流模型232

8.1.4液滴雾化模型233

8.1.5液滴蒸发模型234

8.1.6化学反应动力学模型235

8.2数值计算方法236

8.2.1概述236

8.2.2常用的离散格式237

8.2.3离散方程241

8.2.4基于交错网格的动量方程的离散244

8.2.5流场计算的SIMPLE算法245

8.2.6 PISO算法249

8.3网格生成技术252

8.3.1结构网格生成技术252

8.3.2非结构网格生成技术255

8.4液体火箭发动机燃烧过程计算算例及结果分析257

8.4.1双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析257

8.4.2三组元发动机推力室内部传热数值仿真262

8.4.3液体发动机燃烧稳定性数值仿真268

参考文献280