AIA文章导读丨固体火箭发动机喷管烧蚀流固耦合数值模拟研究
王东辉1，曹德华2，周志坛2，梁然辉2
关键词：拉伐尔喷管，热化学烧蚀，C/C复合材料，多物理场耦合
一、研究背景
C/C复合材料作为一种性能独特的高温材料，综合了纤维增强复合材料优良的韧性以及高温下优良的强度保持率、高比强度、耐高温等一系列优异性能，是固体发动机喉衬理想的耐高温结构材料。在固体发动机工作时，高温高压燃气流经喷管，气体中的氧化组分与C/C材料发生非均相化学反应，导致喷管喉衬烧蚀退移，使喷管喉部面积增大，从而降低了发动机推力性能。迫切需要建立能反映发动机喉衬烧蚀退移过程的数学模型，实现对喷管C/C喉衬烧蚀率的精确预测，为后续发动机推力补偿提供理论数据。 二、研究方法和内容
本文通过Fluent软件中的用户定义函数（User Defined Function）来实现喷管C/C喉衬烧蚀退移过程的数值模拟。首先基于阿累尼乌斯方程来模拟燃气与C/C喉衬的化学反应过程，然后将C/C喉衬反应消耗量转化为固体域边界的网格退移量，实时更新流-固边界，以实现发动机喷管流动-传热-烧蚀全过程精细化仿真，计算流程如图1所示。
图 1 发动机喷管C/C喉衬烧蚀仿真流程图 三、结论
与公开试验数据对比，本文所建立的C/C喉衬烧蚀模型的烧蚀率预示最大误差为4.37%，验证了本文模型的精度与有效性。基于该模型开展C/C喉衬烧蚀仿真研究，结果表明：喷管喉部烧蚀率最大，扩张段烧蚀率基本为0。燃烧室压强与温度都与喉衬烧蚀率正相关，但相较于增加燃烧室压强，增加燃烧室温度对喉衬烧蚀率的影响更显著。第一作者：王东辉，国防科技大学空天科学学院，副研究员，研究方向为飞行器数字孪生技术，主持国家/省部级项目20余项，在国际著名期刊（CMAME、SMO等）一作/通讯发表高水平论文10余篇。通讯作者：周志坛，南昌航空大学动力与能源学院，副教授，研究方向为发动机燃烧流动精细化仿真。主持国家/省部级课题6项，在国际著名期刊（POF、AST、ATE等）一作/通讯发表高水平论文20余篇。
