甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况仿真与试验研究

基于简化化学反应模型，对甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况燃烧特性进行了仿真分析，并结合高模热试车对仿真结果进行了对比验证.结果表明：燃烧室压力在3.7 ms时基本达到稳定；而温度场在8 ms左右达到稳定，室压先于温度场达到稳定；燃烧室壁面液膜热流密度先增大后降低，脉冲工况下发动机推力室壁面液膜冷却效果受脉冲宽度影响较大；不同的脉冲宽度下，燃烧室内的压力上升过程相同，关机后的压力下降过程也基本相同，发动机在2.5~3 ms后能够输出较稳定的推力或冲量.     

基于永磁体偏置磁场的高速响应电磁阀设计

为了提高螺管式电磁阀的开关响应速度,将永磁体置于电磁阀的磁路中,提供偏置磁场,可以降低电磁阀的有效磁导率,减小磁路电感,提高响应能力.通过有限元仿真的方法对该设计方案进行了验证,结果表明:采用偏置磁场的电磁阀磁路结构简单,响应性能突出,有利于推力器的脉冲工作性能提升,能够满足未来卫星平台精确控制的要求.     

小推力双组元姿控发动机性能研究

为了获得新一代小推力双组元姿控发动机的性能,通过采用二维激光粒子动态分析仪的雾化试验台和42km高空模拟试验台,对姿控发动机进行了试验研究。结果表明,在额定工况下,新一代姿控发动机的比冲提高到290s,最小脉冲冲量降低到50mN.s,性能得到了很大改善,可以满足卫星对姿控发动机的性能需求,具备了替代我国现有10N姿控发动机的能力。     

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。     

双组元25N推力器脉冲工作模式下的传热特性分析及改进

在离心式双组元25N推力器的脉冲工况温度稳定性试验中,有16%的工况均发生了推力器稳态温度跃迁导致的喷注器头部高温过热的问题。本研究针对该问题开展了深入的机理分析,并通过优化推力器局部传热特性以消除其对于特殊脉冲工况的应用限制和风险。通过液滴撞壁试验,分析了不同条件下推进剂液膜发展的规律和机理:一旦壁面温度达到了莱登弗斯特温度以后,液滴与壁面的换热能力将大幅下降,严重影响液膜冷却的效率。通过Amesim软件进行的传热仿真进一步表明,一旦因为热回浸现象导致雾化液滴与涂层壁面的作用机制发生变化,进而影响冷却液膜的形成,就会使推力器的温度分布从正常的第一稳态进入无液膜的第二高温稳态。仿真结果基本复现了热稳定性试验中出现的故障模式。针对该故障机理改进了喷注器的结构导热性,将喷注器的花篮连接结构的导热面积增加了1.5倍,可以有效分担液膜的热流负担,抑制液膜进入莱登弗斯特态,使得推力器的脉冲工作可靠性大幅提高,令温度稳定性试验的通过率提升至100%。     

空间双组元发动机离心式喷注器的喷注流场诊断技术研究

对空间双组元发动机核心部件喷注器的喷雾流场可视化诊断技术开展了研究,有效识别了传统分析手段难以发现的雾化场缺陷,对发动机工作特性进行早期诊断,实现故障预防和设计优化.离心式喷注器的雾化喷注流场包含了大量的数据信息,可以通过高速摄影和图像分析进行数据挖掘分析.通过均值图像和余弦相似性计算对喷注流场的空间分布结构进行诊断,...     

喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为,及其对发动机燃烧和传热的影响,进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验,使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况,包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度,证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果,分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型,并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析,通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比,验证了该模型具有更高的准确性。     

离心喷嘴脉冲工作动态特性实验研究

双组元推力器在短脉冲工况下比冲出现明显下降。为了从推进剂雾化角度研究其原因,搭建了离心喷嘴脉冲工作冷流实验平台,使用机械式脉动流量发生器使喷嘴工作在脉冲模式。实验中测量了离心喷嘴的动态压降和索太尔平均直径SMD随时间的振荡,并使用高速相机拍摄了喷雾场和喷嘴内部流动的瞬时照片。通过提取图像边界的方法测量了液膜锥角的变化,并计算了一个周期内不同大小SMD时间占比分布。瞬时照片和SMD的测量结果表明,脉冲工作的离心喷嘴在脉冲工作时会出现柱状射流或由调速管效应形成的厚液环,导致喷雾场出现较大液滴。喷雾锥角测量结果表明,脉冲结束后液膜并不随着压降下降而直接收缩,而是继续保持较大锥角一定时间。对SMD的分析表明,脉冲宽度越小,一个脉冲内非稳态喷雾时间占比越大,导致整个脉冲的雾化质量越差。根据本文研究结果,为了提高离心喷嘴窄脉宽工作时的雾化性能,需要尽可能消除柱状射流和调速管效应的影响。     

双组元离心式喷注器雾化性能的大涡模拟数值研究

基于气液两相体积混合分数建立某型双组元离心式喷注器内部流场及雾化场的数学模型,并采用大涡模拟(LES)方法对其雾化性能进行研究.计算结果表明,喷注器外路喷射速度低于内路喷射速度,内外两路同时喷射时,两路相互影响,雾化锥角增加;随着喷注器出口直段长度的增加,内外路喷射速度和流量系数均呈单调下降趋势;随着喷注压降的增加,喷注器流量系数和出口喷射速度随之增加,而雾化粒度不断降低,雾化锥角不断增大.     

双组元推力器雾化燃烧过程数值模拟及液膜冷却作用分析

在带有液膜冷却双组元推力器的设计过程中,对燃烧室的数值仿真是一项非常重要的工作.充分考虑了常被忽略或简化处理的推进剂雾化、液滴破碎、液膜形成等重要过程,选取EDC燃烧模型和realizable k-ε湍流模型,采用有限体积计算方法得到燃烧室内部液滴分布、液膜分布、静温分布等重要数据.最后,根据所得结果阐述了燃烧室内的详细工作过程,并着重分析了液膜的分布特点以及对壁面的冷却作用,得到了两个与液膜冷却相关的结论.