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第一章 引言1

§1-1　固体火箭发动机的基本结构1

一、推进剂装药1

二、燃烧室2

三、喷管2

四、点火装置3

§1-2　固体火箭发动机的工作过程3

一、固体火箭发动机的工作过程及其特点3

二、固体火箭发动机的主要性能参数8

§1-3　固体火箭发动机工作过程的数值仿真9

一、固体火箭发动机工作过程数值仿真的作用10

二、固体火箭发动机工作过程数值仿真的主要内容12

三、对开展工作过程数值仿真研究的几点建议15

参考文献16

第二章　计算流体力学基本知识18

§2-1　控制方程组的有限差分离散18

§2-2　控制方程组的有限体积离散21

一、物理守恒定律的一般形式21

二、有限体积法23

三、有限体积法应用举例25

四、守恒离散与非守恒离散27

§2-3　离散方程的相容性、收敛性和稳定性28

§2-4　对流—扩散方程的差分格式30

一、对流—扩散方程及其精确解分析30

二、中心差分格式31

三、对流项一阶迎风格式32

四、对流项二阶迎风格式34

五、QUICK格式35

六、线性代数离散方程组的求解36

§2-5　求解二维定常不可压黏性流动的SIMPLE方法37

一、流场数值计算的困难38

二、交错网格与动量方程的离散39

三、压强修正与SIMPLE方法39

四、SIMPLE算法的计算步骤与有关说明41

§2-6　CFD编程与通用软件简介42

一、物理模型42

二、编程方面的考虑43

三、通用软件简介44

参考文献47

第三章 网格设计与坐标变换48

§3-1　概述48

§3-2　Thompson贴体网格自动生成方法49

一、Laplace方程和Poisson方程的变换关系50

二、反变换方程51

三、反变换方程的数值离散52

四、数值离散方程组的求解方法53

§3-3　非齐次源项53

一、Thompson源项53

二、非齐次离散源项54

三、Middlecoff源项57

四、对三种源项的评价58

§3-4　贴体曲线网格的弧长参数生成法59

§3-5　流场控制方程组在任意曲线坐标系上的变换62

一、流场控制方程组及其无量纲化62

二、坐标系变换关系63

三、控制方程组的变换65

参考文献66

第四章 固体火箭发动机燃气的基本特性67

§4-1 多组分气体混合物基本关系式67

一、分压强和分容积68

二、气体混合物组分的表示方法69

三、气体混合物的热力学能、焓、热容及熵71

§4-2　燃气的热力参数72

二、吉布斯自由能判据方程73

一、质量守恒方程73

三、热力计算方程组74

四、基本热力学导数75

五、平衡流动的热力参数确定77

六、热力参数计算的数值方法79

七、固体火箭发动机的热力参数计算81

§4-3　输运系数85

一、单原子分子86

二、多原子分子86

三、多组分气体混合物（N≥2）86

§4-4　热化学与有限速率化学反应动力学基础88

一、热化学基本计算88

二、有限速率化学反应动力学基础89

参考文献91

第五章　燃烧室内流场的数值模拟93

§5-1　燃烧室流场的特点与简化93

一、燃烧室内流场的特点93

二、流场的简化94

三、求解域及网格生成95

§5-2　控制方程组97

一、轴对称控制方程组97

二、控制方程组的统一形式99

§5-3　通用输运方程的数值离散与求解方法99

一、通用输运方程在任意曲线坐标系上的变换99

二、通用输运方程的数值离散100

三、离散方程的求解方法103

§5-4　压强修正方程105

一、压强修正方程的推导105

二、压强修正方程的改造107

§5-5　燃烧室内层流流场的数值模拟109

一、边界条件109

二、初场布置110

三、收敛准则110

四、计算结果110

§5-6　雷诺时均方程与湍流模型111

一、雷诺时均方程与涡黏性假设112

二、k-ε两方程模型114

二、通用输运方程的数值离散116

一、湍流通用输运方程在任意曲线坐标系上的变换116

§5-7　燃烧室内湍流流场的数值模拟116

三、近壁区处理118

四、离散方程的求解122

五、计算结果122

参考文献126

第六章　火箭喷管流场的数值模拟128

§6-1　特征线法的基本理论128

一、单个偏微分方程129

二、两个偏微分方程的方程组132

三、依赖区、影响区和初值线134

§6-2　三维定常等熵超声速流动的特征线理论135

二、特征方程和相容性方程136

一、原始控制方程组136

三、特征面137

四、在流面和波面上的相容性方程140

五、小结143

§6-3 三维定常等熵超声速流动的数值计算方法144

一、数值计算方法144

二、稳定性条件与计算的细节问题146

§6-4　三维特征线方法在微推偏喷管研制中的应用149

一、初值面流场布置149

二、火箭发动机推力矢量的计算方法150

三、锥型喷管推力偏心特性的数值模拟与分析151

四、特型喷管推力偏心特性的数值模拟与分析154

§6-5　全变差递减（TVD）格式简介158

五、小结158

一、TVD格式的概念与基本类型159

二、推广到双曲守恒型方程组的TVD格式161

三、一维可压缩流动方程组的TVD格式162

§6-6　二维隐式有限体积TVD格式164

一、二维有限体积格式164

二、矢通量分裂165

三、隐式有限体积TVD格式168

四、二维隐式有限体积TVD格式应用于喷管流场的数值模拟170

§6-7　三维隐式有限体积TVD格式173

一、三维Euler方程及有限体积格式173

二、矢通量分裂174

三、三维隐式有限体积TVD格式177

四、用三维隐式有限体积TVD格式数值模拟喷管内流场179

五、火箭喷管内三维流场数值计算180

§6-8　喷管内一维定常两相流动数值模拟183

一、喷管内一维两相流的控制方程组184

二、控制方程组的求解方法188

三、计算结果与讨论189

§6-9　喷管超声速段的二维定常两相流动数值模拟192

一、二维定常两相流动控制方程组193

二、轴对称喷管超声速段两相流动的计算结果195

三、喷管二维两相跨声速流动数值模拟197

参考文献203

§7-1　一维非定常加质传热流动的数值模拟205

一、一维非定常加质传热流动的控制方程组205

第七章 燃烧、传热与流动过程的耦合数值模拟205

二、一维非定常加质传热两相流动的控制方程组207

三、数值计算方法212

§7-2　多维非定常加质传热流动的数值模拟214

一、加质流动边界条件及多维加质流动计算实例214

二、传热与流动的耦合216

§7-3　多组分反应流体流动的控制方程组226

一、雷诺输运定理227

二、组分及混合物连续方程227

三、动量方程228

四、能量方程229

五、小结230

§7-4　湍流燃烧模型231

一、简单化学反应系统和快速化学反应模型232

二、复杂化学反应系统模型简介240

§7-5　考虑热辐射的流动数值模拟241

一、热辐射对固壁的传热与流动计算的耦合241

二、燃气辐射换热计算242

§7-6　燃烧与流动耦合计算的预处理245

一、化学反应模型245

二、输运系数245

三、热力学性质和温度的确定246

四、组分质量分数的简化求解——利用元素的质量分数求解组分质量分数246

五、辐射边界247

一、控制方程组248

§7-7　燃烧与流动的数值计算248

二、无黏项处理250

三、黏性项251

四、有限速率化学反应组分源函数项和壁面压强条件253

五、计算实例253

参考文献254

第八章 固体火箭发动机工作过程数值仿真256

§8-1　固体火箭发动机点火过程计算257

一、控制方程组257

二、边界条件259

三、数值计算方法261

四、计算结果263

一、统一方程组266

§8-2　固体火箭发动机统一内流场一维两相流动的计算方法266

二、计算方法和实例269

三、计算结果271

§8-3　固体火箭发动机统一内流场的二维计算方法273

一、数值方法273

二、数学物理模型275

三、计算结果279

§8-4　固体燃料冲压发动机内外流场数值仿真简介283

一、求解域与网格布置283

二、控制方程组及其在任意曲线坐标系的变换284

三、控制方程组的数值离散285

四、湍流模型290

五、计算结果291

参考文献296