针栓式变推力火箭发动机内流场数值仿真研究

发动机推力室的工作过程直接影响到发动机的性能,在设计过程中,从理论上分析推力室内的燃烧流动过程具有非常重要。通过数值仿真,可以大大缩短发动机的研制和改进设计周期,减少研制经费。针对自燃推进剂针栓式变推力液体火箭发动机燃烧与流动的特点,借助CFD计算软件FLUENT,采用标准k-ε湍流模型及有限速率化学反应模型,对采用针栓式喷注器的变推力液体火箭发动机的推力室喷雾燃烧过程进行了数值仿真。计算结果得到了压强分布,温度分布,生成物的摩尔分数分布,粒子轨迹分布、流强、混合比分布以及流动马赫数分布等,并对流场结构和影响发动机性能的喷注器参数进行了分析。数值计算结果可为变推力发动机喷注器和推力室的设计和优化提供参考。

针栓式推力室冷却特性试验研究

针栓式发动机具有推力调节简单、声学燃烧稳定性好和成本低廉等一系列优点,但目前对针栓式推力室的冷却特性掌握还不够深入,研制过程中曾多次出现因推力室冷却组织不好而烧蚀的问题。采用针栓式推力室试验件,对身部的冷却特性进行了深入研究,结果表明:推力室圆柱段前端的温度较低,无需采用专门的冷却措施;末端内侧气壁温度会达到约1650℃,局部存在明显的烧蚀现象,必须采取有效的热防护措施;下游冷却液膜量的变化对圆柱段的冷却特性影响较小。

针栓式液氧/煤油发动机燃烧数值仿真

为了研究低温非自燃推进剂应用针栓式喷注器的流场分布规律,总结不同动量比对针栓式发动机燃烧流场的影响,采用数值仿真的方法研究针栓式液氧/煤油发动机的燃烧流场分布,仿真模型采用k-ε湍流模型、有限速率-涡耗散燃烧模型等。仿真结果表明:针栓式发动机在燃烧室内形成两个回流区,有利于燃烧室头部冷却;针栓式喷注器能够在燃烧室壁面形成液膜,提高了燃烧室壁面的热防护;随着动量比增加,燃烧高温区向燃烧室壁面靠近;动量比为1时,针栓式喷注器具有最佳的燃烧效率。

针栓式喷注器的特点及设计方法

在双组元液体火箭发动机中,相比传统的直流式或离心式喷注器,针栓式喷注器具有独特的几何结构形式及喷注特性。通过参阅国外的相关研究成果,介绍了针栓式喷注器原理、特点及应用情况,总结了针栓式喷注器设计参数的设计方法,从而提出针栓式喷注器结构方案的设计指导原则。

高性能3000N针栓式推力室设计

探月三期工程是我国探月工程“绕、落、回”3个部分中“回”的部分,其探测器由轨道器、着陆器、上升器及返回器组成,轨道器、上升器是探测器中重要的组成部分,探月三期工程轨道器、上升器采用同一种液体火箭发动机作为其推进分系统主发动机,为轨道器和上升器提供各项工作所需的冲量。考虑到针栓式喷注器结构简单、燃烧稳定性好、可实现高性能,轨道器、上升器推进分系统主发动机推力室采用针栓式喷注器。

针栓式喷注器液氧/甲烷发动机燃烧特性数值仿真

为研究针栓式喷注器结构对液氧/甲烷发动机推力室燃烧性能的影响,采用非绝热稳态扩散火焰面模型,并考虑真实流体的物性,对针栓式喷注器液氧/甲烷发动机推力室的跨临界燃烧和流动进行数值模拟。结果表明,针栓式喷注器发动机在推力室头部区域形成两个回流区;在一定范围内,减小针栓式喷注器径向喷注通道尺寸和针阀直径,可以提高燃烧室压力和燃气温度,从而提高推力室的燃烧性能;对于针阀伸进燃烧室长度,为提高推力室的燃烧性能,同时考虑推力室头部的冷却问题,应取越程比在1附近。

数值模拟气液针栓式火箭发动机喷雾燃烧对声学激励的响应

为研究气液针栓式火箭发动机的声学振荡特性并为其优化设计提供指导,加工了具有矩形燃烧室的LOX/GCH_(4)针栓式发动机,采用Euler-Lagrange方法仿真横向速度扰动产生的声学响应,以期在热试前了解声学激励频率对非稳态喷雾燃烧过程的影响。仿真结果表明,采用的横向速度扰动能在燃烧室内产生同频率的一阶横向声学振荡响应。喷雾燃烧对声学激励的响应强弱受扰动频率与燃烧室一阶横向振荡模态固有频率的相对大小影响较大。当扰动频率与该固有频率相等时,压力和燃烧释热随速度扰动出现同相振荡,压力振荡幅值显著增高导致燃烧室前半段的喷雾和火焰同步摆动;同时,燃烧室内存在扩散燃烧变为预混燃烧的趋势,甲烷在更短的距离内燃烧完全且燃烧室温度趋于均匀。

针栓式喷嘴喷雾燃烧特性研究进展

针栓式喷嘴具有深度节流、结构简单、燃烧稳定等优点,主要用于变推力液体火箭发动机。本文介绍针栓式喷嘴的工作原理和发展历程,总结针栓式喷嘴的雾化特性和燃烧特性,展望针栓式喷嘴未来的研究方向。目前针栓式喷嘴的雾化特性研究较多,重点分析的是工况参数和结构尺寸对破碎形态、喷雾锥角、SMD、液滴速度等的影响,针对针栓式喷嘴液膜破碎机理的研究相对较少;针栓式喷嘴燃烧特性研究主要集中于燃烧流场结构、燃烧性能和热防护等方面,对针栓式发动机固有燃烧稳定性机理以及动态燃烧特性的研究还较为欠缺。

流量脉动对针栓式喷嘴雾化特性影响的仿真分析

针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。使用连续相到离散相方法和基于树形数据结构的自适应算法研究了气液针栓式喷嘴的雾化破碎过程,重点关注了液体流量脉动的影响。通过施加周期性变化的质量流量入口边界来模拟上游流量脉动下的雾化过程,对比了有无流量脉动条件下的雾化特性,研究了脉动频率对针栓式喷嘴雾化特性的影响。结果表明:当液体流量不变时,在气体的撞击作用下,液膜上剥落出较长的液丝,长液丝二次破碎为小液丝和大量液滴,破碎距离较长,液膜破碎过程比较有序;当流量脉动幅值为0.15,脉动频率的范围为500~3000 Hz时,液膜破碎距离会缩短,液膜会形成明显的环状表面波,破碎后在环形液丝周围出现液滴聚集现象,雾化锥角受脉动频率影响较小;脉动频率会显著降低液滴的粒径,当频率较高(3000 Hz)时,可能会产生数目较少的极大液滴粒径;液体流量脉动会使得液滴分布出现局部聚集现象,喷雾形态出现明显的“鼓包”结构。

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。

针栓喷注式MMH/NTO推力室燃烧及传热数值仿真

为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响,采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得,流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型,流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示,采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%~3.5%;仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明：针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著;对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言,改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。

针栓式喷注器雾化特性试验

采用高速摄影和马尔文测粒系统对针栓式喷注器雾化特性进行研究,得到了索太尔平均直径(SMD)、粒径分布均匀度指数和雾化锥角随针栓式喷注器结构参数的变化趋势。结果表明:SMD沿喷注轴向均匀不变,沿径向增加;随着气液流量比的增大SMD减小,而粒径分布均匀度指数先降低而后有所回升;粒径分布均匀度指数与狭缝宽度的乘积近似为常值0.35;当气液流量比大于0.206时,由于气动力的作用,雾化边界可分为两段,上面段为收缩段,下面段为等直径段;在针栓式喷注器设计时,狭缝宽度取值越小越好,而液膜半锥角应当考虑SMD和雾化锥角折中选取。

针栓式喷注器锥形液膜破碎特性试验

采用高速摄影获得了针栓式喷注器在不同喷注压降和结构参数下的表面波破碎图像,测量了锥形液膜的破碎长度和破碎时间,研究了变工况时液膜破碎长度和破碎时间的变化规律.试验结果表明:在喷注压降不变的条件下,针栓式喷注器能够实现流量的线性调节.针栓式喷注器设计时,在合理的推进剂动量比范围内,狭缝宽度应尽量取小.液膜在低工况时破碎得更快.液膜破碎长度和破碎时间均随喷注压降的增加而减小.

针栓式喷注器液膜下漏率预估模型

为了对针栓式喷注器液膜下漏率进行准确预测,基于针栓式喷注单元喷雾场结构分析,结合理论推导、数值仿真及试验研究3种方法建立了液膜液束各自变形的相对变形量模型;在考虑液膜液束变形的基础上,引入相互影响系数表征多喷注单元间相互影响,建立了实际阻塞率和实际下漏率模型。通过数值仿真及试验结果的多参数充分验证,结果表明:理论预估模型与数值仿真及试验结果一致性较好。液膜液束相互作用下,液膜绕液束流动和液束根部横截面前后缘位置移动不同步导致的展向变宽分别是液膜和液束发生变形的主因,且有效动量比越大,液膜相对变形越大,液束相对变形越小。对于一定阻塞率的几何结构,结果表明:下漏率随着有效动量比的增大而增大,增大趋势呈先快后缓,且实际下漏率均小于几何下漏率,这是由膜束变形导致的实际阻塞率比几何阻塞率更大造成的。另外,发现液膜下漏率仅与表征流场结构(有效动量比)及几何结构的无量纲参数(液膜厚度与液束直径之比和阻塞率)有关,与喷射速度的绝对值无关,并给出了模型中的常系数供工程设计预估使用,对从设计初期就考虑针栓头的热防护问题具有重要的指导意义。

针栓式喷注器无旋锥形液膜线性不稳定分析

将离心式喷嘴锥形液膜破碎模型应用于针栓式喷注器,对无旋锥形液膜进行了线性不稳定分析。求解色散方程获得了色散关系曲线,分析了无旋锥形液膜表面波发展过程。研究了喷注压降、喷注通道长宽比、液膜半锥角以及正弦模式扰动波加权因子等参数对无旋锥形液膜无量纲破碎时间和破碎长度的影响。结果表明:正弦模式扰动波比曲张模式扰动波增长更快,并且更不稳定。正弦模式扰动波在无旋锥形液膜破碎过程中占优,并且喷注压降越大,液膜破碎的越快。喷注通道长宽比的增加会使得无量纲破碎时间和破碎长度近似线性增大。针栓式喷注器设计时,为利于液膜破碎,喷注通道长宽比应取小值,而液膜半锥角应取大值。

针栓式喷注单元膜束撞击雾化混合过程数值模拟

为了全面认识针栓式喷注器喷雾场结构,基于自适应网格加密技术和分三相计算的PLIC VOF(Piecewise Linear Interface Calculation Volume of Fluid)方法对针栓式喷注单元膜束撞击雾化混合过程进行了仿真分析,通过对两路推进剂分别进行界面追踪,获得了膜束撞击雾化混合过程的详细结构特征,与高速摄影试验结果定性定量对比均吻合较好,验证了数值方法的准确性。以此为基础对膜束撞击的喷雾场结构、撞击变形过程、流场涡结构、雾化破碎典型特征及破碎后的雾化混合分布特征进行了识别分析,结果表明:膜束撞击形成了液束未穿透液膜和液束穿透液膜2种不同的喷雾扇结构。膜束撞击形成的喷雾扇呈"Ω"形,膜束同时发生弯曲变形和横截面变形。另外,膜束撞击同时受到正压和剪切应力作用,导致了一系列复杂涡流现象,使得相互作用增强,雾化混合均增强,这也是膜束撞击喷注构型优于膜膜撞击的本质原因。最后,还发现膜束撞击喷雾场液滴分布呈现分区结构特征,分别是液束控制主导的上雾化区、液膜控制主导的下雾化区及夹在中间的混合区,实际中应兼顾雾化特性和混合特性,选取中等动量比膜束撞击,这可为针栓式喷注器的理论研究和工程设计提供重要参考。

径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响

为了研究径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响并对其进行准确预估,以径向圆孔液束的相对变形模型为基础,通过类比分析提出了矩形孔的相对变形理论模型,并考虑多喷注单元间相互影响和不同高宽比矩形孔的绕流侧边效应,首次建立了径向矩形孔的下漏率模型。通过试验及数值仿真对模型进行了验证分析,结果表明理论预估结果与数值仿真及试验结果吻合较好,也表明针对矩形孔建立的相对变形模型及下漏率模型具有较好的准确性。另外,研究表明矩形孔的下漏率除了与几何阻塞率、有效动量比及液膜厚度与液束孔宽度之比有关外,还与高宽比有关;3种不同高宽比情况下的下漏率均显著小于几何下漏率;同时下漏率随有效动量比增大而增大的趋势均较平缓。综合分析径向圆孔和3种不同高宽比矩形孔的结果发现,在径向孔横截面积及流量等工况参数完全相同的情况下,径向孔形状对下漏率有显著的影响,矩形孔的下漏率显著低于圆形孔的;矩形孔的高宽比越大,下漏率越大。实际应用中选择矩形孔更有利于控制下漏率,并可通过改变高宽比控制下漏率;同时在变工况过程中,矩形孔的下漏流量也会随着主路推进剂一起调节变化,保持下漏率变化不大,故具有较好的大范围变推力流量匹配特性。

针栓式阀门姿控系统内流场特性仿真研究

以针栓式阀门为对象开展了流场稳态仿真研究,分析了不同针栓头部截面半角、针栓开度值及出口压强下的马赫数云图差异,探究了推力、比冲、质量流率等指标的变化趋势。结果表明,针栓开度值与针栓头部截面半角越大,质量流率与推力越大,比冲越小,但上述指标的最终稳定值基本一致。不考虑阀门腔内压强变化,推力值与等效喉部面积大小成线性关系。针栓头部截面半角值越大,达到稳定值所需的开度值越小。

气液针栓式喷注器液膜破碎过程和结构的数值研究

为了更好地认识针栓式喷注器雾化场的结构,基于网格自适应加密技术以及VOF (volume of fraction)方法追踪气液的分界面,采用realizable k-ε湍流模型模拟整个流动过程,还原了不同时刻气/液撞击的初次破碎过程,数值模拟结果与高速摄影试验结果定性定量对比均吻合较好,验证了数值方法的准确性。进一步对针栓式喷注器气/液撞击的初次破碎过程、内部流场涡结构、速度场进行分析,研究了初次破碎雾化的动力学过程和机理。研究结果表明:液桥的形成主要是由液洞的扩展和拉伸、合并而形成,而液滴主要是由中心液膜拉伸、液丝断裂以及液桥断裂而形成,液膜破碎阶段形成的涡结构是造成液膜断裂的主要原因。

针栓结构参数对液氧/甲烷发动机跨临界燃烧效率的影响

为了研究跨临界燃烧下针栓结构参数对燃烧效率的影响,采用标准k-ε湍流模型、非绝热稳态扩散火焰面模型,同时考虑流体真实物性,对液氧/甲烷针栓式发动机跨临界燃烧进行数值研究。分析不同物性计算方法对推力室内流场影响,并分析针栓喷注器径向环缝宽度、轴向环缝宽度对发动机燃烧效率的影响。结果表明:考虑跨临界效应时,形成的中心回流区和高温区域均较小。在一定范围内,径向环缝增大,燃烧效率先减小后增大,轴向环缝宽度增大,燃烧效率降低,轴向环缝宽度取较小值而径向环缝宽度取较大值时,可获得较高的燃烧效率。动量比小于1时,增大轴向动量可有效改善混合;动量比大于1时,增大轴向动量对改善混合的作用减弱。燃烧效率随动量比增大而降低,当不同工况的动量比值接近时,总动量较大工况的燃烧效率更高。