火箭发动机燃烧基础

第1章 绪论 1

1.1 燃烧的一般概念 1

1.1.1 可燃物 2

1.1.2 不同状态物质的燃烧 4

1.2 燃烧科学的发展 5

1.2.1 经典燃烧学 6

1.2.2 火箭推进剂燃烧学 7

1.2.3 计算燃烧学 12

1.3 着火、火焰传播与熄火 14

1.3.1 着火 14

1.3.2 火焰传播 17

1.3.3 熄火 18

参考文献 21

第2章 化学动力学基础 22

2.1 多组分气体混合物 22

2.1.1 分压强和分容积 23

2.1.2 气体混合物组分的表示方法 24

2.1.3 气体混合物参数的换算关系 25

2.2 化学反应速率 26

2.2.1 基元反应与总包反应 26

2.2.2 基元反应的化学反应速率 27

2.2.3 总包反应的化学反应速率 30

2.3 化学反应级数 33

2.3.1 化学反应级数的定义 33

2.3.2 化学反应级数的实验测定 35

2.4 化学反应的机理 41

2.4.1 碰撞理论 41

2.4.2 过渡态理论 43

2.4.3 阿累尼乌斯定律 44

2.4.4 用阿累尼乌斯定律表示的化学反应速率公式 45

2.4.5 影响化学反应及化学平衡的因素 46

2.5 链反应 49

2.5.1 直链反应 50

2.5.2 分支链反应 51

参考文献 54

第3章 热力学原理 55

3.1 热力学基本知识 55

3.1.1 热力学系统 55

3.1.2 功与热量 56

3.1.3 热力学第一定律 58

3.1.4 热力学第二定律 59

3.2 热力学第三定律与绝对熵 62

3.3 状态函数 63

3.4 热力学普遍关系式 64

3.4.1 全微分的性质 64

3.4.2 麦克斯韦尔关系式 64

3.4.3 比热容 66

3.4.4 其他热力学普遍关系式 67

3.5 气体混合物的热力性质 69

3.5.1 气体混合物的内能和焓 69

3.5.2 气体混合物的比热容 70

3.5.3 气体混合物的熵 70

3.5.4 气体混合物的标准摩尔焓、标准摩尔熵、标准摩尔比定压热容和JANAF热力数据表 71

3.5.5 气体混合物的自由能 77

参考文献 77

第4章 化学热力学 78

4.1 化学反应与化学反应热 78

4.1.1 热化学反应方程式和反应热 78

4.1.2 盖斯定律 83

4.1.3 基尔霍夫定律 84

4.2 燃料及其燃烧性质 87

4.2.1 燃料的化学组成 88

4.2.2 燃料燃烧性质的工程计算 91

4.3 化学反应平衡 95

4.3.1 化学反应的进行方向 96

4.3.2 标准反应自由能与标准生成自由能 97

4.3.3 化学反应平衡 100

4.4 平衡组分与绝热燃烧温度 106

4.4.1 复杂化学反应系统的平衡组分 106

4.4.2 绝热燃烧温度 109

参考文献 111

第5章 燃烧流动控制方程 113

5.1 有限速率化学反应流动 113

5.1.1 组分及气体混合物连续方程 114

5.1.2 动量方程 115

5.1.3 能量方程 117

5.1.4 控制方程组的矩阵表示法 119

5.1.5 柱坐标系下的控制方程 121

5.2 有限速率化学反应湍流流动 123

5.2.1 雷诺时均方程 124

5.2.2 湍流模型 126

5.2.3 湍流燃烧模型 128

5.3 流动与燃烧的模型方程 129

5.3.1 等截面一维流动控制方程 129

5.3.2 变截面一维定常流动控制方程 131

5.3.3 二维柱坐标定常流动控制方程 133

参考文献 135

第6章 燃烧中的物理过程 136

6.1 输运系数 136

6.1.1 输运定律 136

6.1.2 输运系数的计算 138

6.1.3 温度和压强对输运系数的影响 142

6.1.4 输运系数的相似准则 143

6.2 燃烧中的传热和传质 145

6.2.1 传热的基本定律 145

6.2.2 边界层理论 149

6.3 斯蒂芬流 163

参考文献 165

第7章 火焰理论 166

7.1 燃烧现象的分类 166

7.1.1 直接法 167

7.1.2 邓克勒准则 168

7.2 简单化学反应系统 168

7.3 预混燃烧 170

7.3.1 本森灯 170

7.3.2 燃烧波 172

7.3.3 层流火焰的传播动力学 176

7.3.4 湍流预混火焰传播 179

7.3.5 火焰的稳定 182

7.4 湍流燃烧模型 183

7.4.1 湍流扩散火焰的k-ε-？-g燃烧模型 184

7.4.2 湍流预混火焰的燃烧模型 187

参考文献 189

第8章 着火和熄火 190

8.1 热自燃着火与熄火 190

8.1.1 谢苗诺夫热自燃理论 190

8.1.2 熄火 197

8.2 强迫着火 198

8.2.1 炽热颗粒的引燃 198

8.2.2 火焰点火 200

8.2.3 电火花点火 201

8.2.4 高能点火 203

8.3 火箭发动机的点火和熄火 203

8.3.1 火箭发动机的点火过程 204

8.3.2 滞止点火理论 205

8.3.3 流动传热点火理论 207

8.3.4 火焰的传播 208

8.3.5 火箭发动机的熄火 209

参考文献 211

第9章 液体推进剂的燃烧 213

9.1 液滴的蒸发 213

9.1.1 液滴蒸发模型与控制方程 213

9.1.2 液滴蒸发速率的解 214

9.1.3 传质数的计算 217

9.1.4 液滴的蒸发时间——液滴寿命 220

9.2 液滴的燃烧 221

9.2.1 液滴燃烧模型与控制方程 221

9.2.2 液滴燃烧速率的解 222

9.2.3 液滴的燃烧时间 224

9.2.4 液滴燃烧的火焰位置 224

9.2.5 液滴燃烧的温度分布 225

9.2.6 液滴燃烧的浓度分布 227

9.3 雾化燃烧 228

9.3.1 雾化原理 228

9.3.2 雾化装置 229

9.3.3 雾化性能 232

9.3.4 对流燃烧 235

9.3.5 雾化燃烧 236

9.4 液体推进剂火箭发动机 238

9.4.1 液体火箭发动机的结构原理 238

9.4.2 燃烧过程 240

9.4.3 喷嘴参数设计 241

参考文献 243

第10章 火箭发动机射流燃烧 244

10.1 射流的基本知识 244

10.1.1 射流的结构和特征 244

10.1.2 物理射流控制方程 246

10.1.3 控制方程的解 247

10.1.4 层流射流的解 248

10.1.5 湍流射流的解 249

10.1.6 温度与组分分布 250

10.2 自由射流的燃烧 251

10.2.1 控制方程及求解 251

10.2.2 火焰形状 253

10.3 贝克-舒曼受限射流燃烧 254

10.3.1 贝克-舒曼受限射流燃烧方程 255

10.3.2 贝克-舒曼火焰形状 257

10.3.3 贝克-舒曼火焰高度 258

10.4 火箭燃气射流 259

10.4.1 火箭燃气射流的特点 260

10.4.2 第一马赫盘的位置 262

10.4.3 射流边界 264

10.4.4 射流火焰 268

参考文献 270

第11章 固体推进剂的燃烧 271

11.1 双基推进剂的稳态燃烧机理 273

11.1.1 双基推进剂的燃烧波结构 273

11.1.2 双基推进剂的稳态燃烧理论 275

11.2 AP复合推进剂的稳态燃烧机理 282

11.2.1 AP复合推进剂的燃烧波结构 282

11.2.2 粒状扩散火焰模型（GDF模型） 284

11.2.3 BDP多火焰模型 289

11.3 复合改性双基推进剂的稳态燃烧机理 297

11.3.1 AP/CMDB推进剂的稳态燃烧 298

11.3.2 HMX/CMDB推进剂的稳态燃烧 299

11.4 含金属推进剂的稳态燃烧 300

11.4.1 金属粉末的燃烧特性 300

11.4.2 含铝推进剂的燃烧 301

11.5 超高燃速推进剂的稳态燃烧 305

11.5.1 超高燃速推进剂的结构特征 305

11.5.2 超高燃速推进剂的燃烧特性 306

11.5.3 超高燃速推进剂的对流燃烧理论 307

参考文献 310

第12章 固体火箭发动机的侵蚀燃烧和不稳定燃烧 312

12.1 侵蚀燃烧 312

12.1.1 侵蚀函数 312

12.1.2 侵蚀燃烧的机理 314

12.1.3 勒努尔-罗比拉德侵蚀燃烧理论 316

12.1.4 扩散火焰弯曲理论 318

12.2 不稳定燃烧 320

12.2.1 不稳定燃烧的基本概念 320

12.2.2 声不稳定燃烧的机理 325

12.2.3 声不稳定燃烧的线性稳定性预估 329

参考文献 333

第13章 计算燃烧学概论 335

13.1 燃烧流动控制方程及其性质 336

13.1.1 燃烧流动控制方程组的类型 336

13.1.2 守恒型方程和非守恒型方程 339

13.1.3 方程的无量纲化 340

13.2 燃烧流动控制方程的离散 341

13.2.1 网格生成 341

13.2.2 控制方程组的有限差分离散 343

13.2.3 离散方程的相容性、收敛性和稳定性 349

13.3 数值计算格式 350

13.3.1 对流-扩散方程及其精确解分析 350

13.3.2 中心差分格式 352

13.3.3 对流项一阶迎风格式 354

13.3.4 对流项高精度迎风格式 355

13.3.5 TVD格式 357

13.3.6 离散方程组的求解 358

13.4 求解燃烧问题的SIMPLE方法 360

13.4.1 控制方程的统一形式 360

13.4.2 交错网格与动量方程的离散 362

13.4.3 压强校正 362

13.5 数值模拟软件 365

13.5.1 模拟软件编制 365

13.5.2 商业软件简介 366

参考文献 368