微推力器柱阵列加热室流动和换热特性研究

针对丁烷自增压微推力器,设计了微型圆柱阵列结构加热室,通过数值模拟的方法研究了给定加热功率,不同的加热室入口压力下,微柱阵列排列结构对加热室内丁烷气体的流动和换热特性以及微推力器性能的影响。结果表明,微柱阵列的存在明显的提升了加热室换热特性和推力器性能,微柱阵列引起的加热室压力损失很小。相同的排列密度下,采用错排列结构微柱阵列的推力器整体性能更优。微柱阵列的排列密度越大,微推力器加热室换热特性和性能越好。当微柱阵列采用错排列结构时,排列密度增至一定程度后推力器性能不再提升。     

结构参数设计对微喷管性能的影响

微喷管设计加工方法不同于常规尺寸喷管,具有小尺寸、大面积-体积比的特点,内部流动雷诺数低,粘性力影响显著。为研究结构参数设计对蒸发液体微推力器喷管性能的影响,利用三维数值模拟方法研究不同扩张半角、面积比以及刻蚀深度对微喷管推力、比冲的影响。结果显示,增加微喷管扩张半角有利于降低粘性损失,最优扩张半角为30°,其数值大于常规尺寸喷管。增加面积比可以提高气体膨胀程度,但与之同时增加的壁面面积会增加粘性损失,推力、比冲先随面积比增加而增加,面积比为14时达到峰值,随后下降。增加刻蚀深度有利于减小扩张段壁面面积,提高微喷管性能。     

塞锥侧板对直排塞式喷管性能的影响

为了解塞锥侧板对直排塞式喷管性能的影响,提出了对应着同一个塞锥的不同形状和高度的侧板。采用数值模拟的方法,得到了带有不同侧板的直排塞式喷管在不同工况下的流场和性能。比较了不同侧板形状和高度对直排塞式喷管性能的影响。结果表明:带有曲边侧板的塞式喷管的性能略高于带有直边侧板的塞式喷管,但不超过1%;没有侧板时塞式喷管性能要下降4%～6%;塞锥侧板的高度应不小于内喷管出口的高度,低于内喷管出口高度的侧板会降低塞式喷管性能;当侧板高于内喷管出口时,直排塞式喷管性能不随侧板高度的增加而增大。最后定性分析了带有不同侧板塞锥的流场结构,找出了产生这种结果的原因。     

气动塞式喷管底部压强模型研究

为了解塞式喷管底部压强特点,找出快速、准确计算底部压强的方法,实验研究了不同反压下塞式喷管的底部压强.在认识外界反压对塞式喷管流动作用机理的基础上分析如何确定不同的底部气动状态,将塞式喷管底部在不同外界反压下的气动状态划分为"三段",即底部开放段、底部闭合段和底部由开到闭的过渡段,在各段,底部压强使用不同的计算方法.把数值模拟、实验研究及塞式喷管底部自身特点结合起来,找出塞式喷管底部压强的一般规律,建立了适合于工程应用的底部压强计算模型.结合40%和20%截短塞式喷管的实验数据,验证了底部模型的正确性.塞式喷管底部流动是超声速流的大分离流动,该模型对底部压强的预示比有限差分法具有更高的精度.     

三维喷管设计

为了简化设计过程并获得满意的设计性能，以圆转方和圆转矩形喷管为例，对已有的三维喷管型面设计方法进行比较和总结，运用数值方法分析了型面转换起始位置和喷管出口高宽比的确定，提出了一套三维型面的直接生成方法，并给出相应的设计准则。经过实际设计和加工的检验，证明了设计方法的工艺可行性。在能够保证三维喷管的制造工艺条件以及冷却通道布置要求下，型面转换的起始位置可以尽量接近喉部；喷管出口截面的宽边不要超过窄边的1．5倍，应尽量接近于方形。     

气氢/气氧塞式喷管模型发动机实验

以气氢/气氧为推进剂,对圆转方内喷管单元直排塞式喷管进行了热试实验研究。介绍了实验系统及实验发动机主要零部件的结构和设计参数,给出了实验参数测量结果、实验照片和数据分析。无再生冷却塞式喷管发动机采用耐烧蚀材料钨渗铜加工内喷管和燃烧室内衬,碳钢材料加工塞锥,成功进行了多次短时间热试实验。在三个压比下获得了塞式喷管性能数据,实验表明,塞式喷管具有良好的高度补偿能力和较高的效率。在CNPR=110附近,效率达到93%~95%;在CNPR=450附近,效率达到96%~98%;在CNPR=1000附近,效率达到93%~96%。预计在设计点的效率不低于98%。     

瓦状特征型面塞式喷管三维计算与实验

为了进一步了解瓦状塞式喷管的性能,采用NND差分格式求解三维N S方程和空气冷流对6单元瓦状特征型面塞式喷管进行了数值模拟和实验研究。研究模型的内喷管面积比为4,总面积比为40,设计压强比为1047。计算得到了流场马赫数和塞锥表面压强分布、喷管推力系数效率,以及不同压强比下中心平面、过渡平面和边缘平面的塞锥表面压强变化规律。计算结果与实验数据吻合得较好,效率数值最大相差1%。实验塞式喷管最大的推力系数效率为0 995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,效率在0 93～0 995之间变化。和以前简化型面的4单元瓦状塞式喷管相比,实验和数值模拟均说明塞锥特征型面的优化设计提高了喷管性能,更充分体现了塞式喷管的高度补偿特性,可以成为未来工程应用的选择方案。     

塞式喷管气动特性与性能研究

对6单元瓦状塞式喷管、6单元圆转方内喷管塞式喷管和1单元直排塞式喷管进行了实验和数值模拟研究.实验表明,3个塞式喷管具有良好的高度补偿特性和较高的效率,6单元瓦状塞式喷管和1单元直排塞式喷管在设计高度的效率接近100%;由于内喷管型面不够理想和加工时存在的缺陷,6单元圆转方内喷管塞式喷管的设计点效率在95%左右.数值模拟结果与实验数据吻合较好,结合实验和数值模拟分析了外界反压对气流,进而对底部气动特性的影响.实验研究了底部二次流流量变化对性能的影响.     

塞锥型面简化与截短对塞式喷管性能的影响

用NND差分格式求解N－S方程，对截短直锥塞式喷管和用特征线法设计的截短型面锥塞式喷管的流场和性能进行了比较。成功地捕获了流场激波、膨胀波及反射压缩波，计算结果与实验数据吻合较好，对不同型面塞式喷管在不同高度下的推力性能和塞锥截短对发动机性能的影响。研究表明，相同长度的截短直锥发动机总推力比型面锥塞式喷管发动机低1％－1.5%；相对30％截短型面塞锥发动机，50％截短型面塞锥发动机的总推力可提高约2.5%。     

固体火箭发动机碳基材料喷管热化学烧蚀特性

为了准确预示固体火箭发动机碳基材料喷管的烧蚀率,依据热化学烧蚀理论,建立了喷管传热烧蚀的二维轴对称气-固-热耦合计算模型,计算通过FLUENT壁面化学反应模型完成,无需事先假设烧蚀控制机制。针对70-lb BATES发动机喷管进行了烧蚀计算,研究了推进剂配方、氧化性组分、燃烧室压强对喷管烧蚀的影响。结果表明:烧蚀率计算值与试验测试值吻合较好;烧蚀率分布遵循喷管内壁热流密度分布规律,在喉部上游入口处达到峰值;烧蚀率随推进剂Al含量增加而降低,随燃烧室压强升高而近似正比例增大;H2O是决定烧蚀的主要氧化性组分。