● 摘要
发动机装药设计是固体火箭发动机设计的核心。装药在燃烧过程中燃面变化复杂，燃面计算就是为了确定装药在燃烧过程中燃烧面积随时间的变化规律，是发动机内弹道计算的基础，影响着发动机的性能。通过对国内外研究现状分析可以看出，国内普遍使用的燃面算法存在着计算通用性和适应性不强等缺陷。而在国外， 界面追踪方法已经较好地运用在固体推进剂装药燃面计算中，提高了对发动机的性能预示精度。而且常用的燃面计算方法无法对装药的燃烧进行可视化的验证，很容易发生察觉不到的错误，导致巨大的损失。为了建立通用、有效、准确的发动机燃面计算方法，提高装药设计和性能分析能力，本文对Level Set界面追踪方法进行了深入研究。应用局部Level Set方法，通过求解Hamilton-Jacobi型控制方程，并在空间离散中采用高分辨率的Weighted-ENO格式，时间离散采用3阶TVD Runge-Kutta方法，建立了适用于固体发动机的燃面计算方法。为了实现装药燃面退移过程的可视化，本文对VTK可视化软件系统进行了研究。采用VTK的Data Pipeline 数据流水线机制对装药燃烧过程进行了可视化。结合瞬时平衡压强法开发了基于Level Set的固体火箭发动机装药燃面退移计算的可视化程序。最后利用该程序对几类发动机装药燃烧过程进行计算，动态显示了药柱燃面的退移情况，绘制出内弹道性能曲线和质量、几何属性随时间变化的曲线，验证了本文燃面计算方法的正确性。