推力室状态对其声学振型及其阻尼特性的影响

为确定工程中冷态条件下获得的推力室声学特性能否表征真实条件下的声学特性,研究了冷态无流动、热态气相流动和湍流两相燃烧三种状态下推力室声学振型及其阻尼特性。在推力室稳态流场中的有限区域施加数值定容弹,激发其具有多模态声学振型的大幅值压力振荡,采用衰减时间和半带宽来定量评价所激发的不同声学振型压力振荡衰减快慢,进而获得其阻尼特性。在相同过载比的数值定容弹激励下,在冷态条件下能激发包含更多声学振型压力振荡,且该振荡衰减时间更长,相同振型压力振荡衰减比热态条件下慢。在冷态条件下,一阶切向振型振幅最大,为最容易被激发声学振型;一阶纵向振型半带宽最小,为最难衰减的振型。在热态条件下,一阶纵向振型为最容易激发声学振型,也为最难衰减声学振型。从所激发的主要振型及其相对衰减的快慢来看,冷态条件下获得的声学特性能够表征真实条件下的推力室的声学特征。     

基于数值定容弹方法的推力室阻尼特性研究

为确定推力室的声学振型频率及其阻尼特性,给出推力室最容易激发声学振型和最难衰减声学振型,建立了基于数值定容弹和半带宽法的推力室声学振型及其阻尼特性的数值模拟方法。对小推力姿轨控发动机推力室进行近圆周壁面的定容弹激励仿真,激发出了多模态的声学振型,其中,一阶切向振型为最容易激发振型,而一阶纵向振型为最难衰减振型。进一步讨论了推力室构型参数对其阻尼特性的影响,结果表明：随推力室内径增大,纵向振型得到抑制,而切向振型变得不易衰减;随推力室收缩比增加,一阶切向振型半带宽先增大后保持不变;随推力室圆柱段长度增加,各振型半带宽没有明显的变化趋势。     

基于数值定容弹方法的燃烧室声学特性研究

为确定给定构型燃烧室最容易激发的声学振型,提出了能够实现大幅值非特定频率的"数值定容弹"模型。圆柱体内声学振型频率的预测值与理论结果偏差在7%以内。对姿轨控发动机推力室进行了数值定容弹激励,给出了推力室压力分布的时空演化,获得了多声学模态压力振荡及其最容易激发的声学振型。进一步研究了收缩比对推力室声学特性的影响。结果表明:随着收缩比增大,一阶和二阶切向声学振型的幅值增加,但对应的频率基本保持不变;而一阶纵向和一切-一纵声学振型的幅值减小,但对应的频率增大,当收缩比较大时,一阶纵向和一切-一纵声学振型消失。可见,与短粗构型相比,细长推力室构型有利于抑制切向声学振型。     

有声腔燃烧室的声学特性实验

为了掌握声腔对燃烧室声学特性的影响规律,采用冷态实验方法,研究了带有轴向直圆孔声腔的模拟燃烧室的声学特性,其中声腔长度、开口面积比（声腔横截面积除以燃烧室横截面积）和个数均可调节.研究结果表明:燃烧室固有频率随声腔长度的增加而逐渐减小;声腔存在最佳深度,能够抑制一阶切向振型,该最佳深度不受声腔开口面积比影响,略小于1/4一阶切向波长;对抑制一阶切向振型而言,声腔存在最佳开口面积比,在本研究中约为0.17;声腔的分布对燃烧室的声学特性影响较大,相同开口面积比下,声腔个数越多,声波衰减越快.      

气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响

为了掌握气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响规律以及解释声学实验中出现的切向频率分化现象的内在机理,采用声学有限元方法(FEM)并在单喷嘴声学模拟实验验证的基础上,从固有频率和声压分布角度分析了气喷嘴长度、声腔长度和节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,利用声压分布成功地解释了实验中出现的频率分化现象。结果表明:当燃烧室某阶切向振型频率与喷嘴1阶纵向振型频率相等时,喷嘴由于共振将切向振型声压幅值极值点附近的能量转移到喷嘴中,改变了燃烧室原切向振型的声压分布,因此在声学实验中产生切向频率分化现象;气喷嘴长度与节流嘴直径之间存在着耦合关系,在液氧煤油补燃发动机喷嘴设计阶段可进行组合参数匹配优化。      

离心喷嘴气涡固有声学频率预测

为得到准确的离心喷嘴气涡固有声学频率,通过renormalization group(RNG)k-ε湍流模型和volume of fluid(VOF)气液两相流模型进行数值仿真研究。仿真结果表明将离心喷嘴与喷嘴出口锥形液膜视为一个声学系统可准确预测固有声学频率,修正后离心喷嘴固有声学频率计算公式可准确计算气涡中不同气体介质的1、2阶声学频率,误差在3%以内。室压扰动频率等于离心喷嘴固有声学频率时两者发生耦合共振,气涡压力脉动振幅增加量约为室压扰动幅值的16倍,气涡声学压力脉动可能传入上游供应系统,引起喷注不稳定。     

层板推力室发汗冷却壁温特性的初步研究

对液体火箭发动机发汗冷却层板推力室的壁温特性进行了初步研究,通过建立一维固液耦合温差模型,利用有限体积法,计算得到沿推力室径向层板固体和冷却剂的温度分布,并对影响壁温特性的各种因素进行了计算分析,包括冷却剂流量、层板导热系数和冷却通道尺寸等.结果表明:冷却剂流量是控制层板结构温度的重要参数;层板应该采用一种导热系数适中的材料,过大或过小导热系数的材料都不利于推力室的整体性能;较大的冷却通道宽高比有利于层板向冷却剂导热;冷却通道内的换热效率与冷却剂流量和层板导热系数有关.      

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

高转速袋型阻尼密封泄漏的特性

采用有限元分析和计算流体动力学耦合数值分析方法(FEA/CFD),研究了考虑转子系统由于高速旋转造成转子径向伸长效应时袋型阻尼密封的泄漏特性和流场形态.计算了密封间隙为0.13mm时,袋型阻尼密封试验件在3种压比、3种转速下的泄漏量,并与试验值和不考虑转子伸长效应的CFD数值模拟结果进行了比较,验证了所采用的FEA/CFD数值方法的可靠性(误差小于1.3%)和高转速下考虑转子伸长的必要性.研究了6种压比、6种转速下密封间隙为0.25mm的袋型阻尼密封的流场和泄漏量,分析了压比和转速对袋型阻尼密封泄漏特性的影响规律.结果表明:当压比大于0.26时,随压比的减小,袋型阻尼密封泄漏量逐渐增大;当压比减小到一定值时(π<0.26),泄漏流体的马赫数在最后一个密封齿间隙处达到1.0,即发生了堵塞,此时泄漏量达到与密封进口总压相对应的最大值;在高转速下,考虑和不考虑转子半径的伸长,密封泄漏量均随转速的增大而减小;在转子面周向马赫数大于0.35时,需要考虑转子半径伸长对泄漏量的影响.      

脉冲等离子体推力器放电室构型参数的影响分析研究

通过开展脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）放电试验,结合理论计算与分析,研究了放电室构型参数对推力器性能的作用机理与影响规律。结果表明：推进剂烧蚀表面附近电极间距的增大使放电电流的峰值降低;增大电极高宽比使电感梯度提高,并使电磁冲量得到提升。考虑到放电电流集中在推进剂表面附近,电流峰值主要受到放电室上游电极间距的影响,因此,采用在放电室下游增大电极扩张角的方法使电极高宽比增大,通过这种空间上的分离,能够解决增大电流峰值与提高电感梯度之间的矛盾,实现推力器电磁冲量的综合提升。相比于常规PPT所使用的矩形推进剂构型,V形的推进剂构型可有效提升推力器的气动冲量。     

Numerical evaluation of acoustic characteristics and their damping of a thrust chamber using a constant-volume bomb model

In order to numerically evaluate the acoustic characteristics of liquid rocket engine thrust chambers by means of a computational fluid dynamics method, a mathematical model of an artificial constant-volume bomb is proposed in this paper. A localized pressure pulse with a very high amplitude can be imposed on specified regions in a combustion chamber, the numerical procedure of which is described. Pressure oscillations actuated by the released constant-volume bomb can then be analyzed via Fast Fourier Transformation (FFT), and their modes can be identified according to the theoretical acoustic eigenfrequencies of the thrust chamber. The damping performances of the corresponding acoustic modes are evaluated by the half-power bandwidth method. The predicted acoustic characteristics and their damping for a special engine combustor agree well with the experimental data, validating the mathematical model and its numerical procedures. A small-thrust liquid rocket engine chamber is then analyzed by the present model. The First Longitudinal (1L) acoustic mode can be excited easily and is hard to be damped. The axial position of the central constant-volume bomb has little influence on the amplitude and damping capacity of the First Radial (1R) and 1L acoustic modes. Tangential acoustic modes can only be triggered by an off-centered constant-volume bomb, among which the First Tangential (1T) mode is the strongest and regarded as the most harmful one. The amplitude of the 1L acoustic mode is smaller, but its damping factor is larger, as a constant-volume bomb is imposed approaching the injector face. These results are contributed to evaluate the acoustic characteristics and their damping of the combustion chamber.     

大直径液氧煤油发动机燃烧室结构和隔板型式对声学特性的影响

随着火箭发射任务轨道高度和载荷质量的提高,发动机推力和燃烧室直径增大,使燃烧室固有声学振型越发复杂.燃烧室收敛段、抗脉动隔板及其结构型式会显著影响燃烧室的声学特性,进而改变发动机的燃烧不稳定性裕度.为了研究燃烧室结构和隔板型式对声学特性的影响,建立了燃烧室声学有限元模型,并通过单喷嘴声学实验验证了仿真模型的准确性.研究...     

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究

采用碳氢燃料冷却壁面是超燃冲压发动机常用主动冷却方式。为减轻主动冷却通道结构重量、提高冷却效率,本文探讨了以网格结构为填充的新型通道,从结构轻质化、流动特性及综合传热能力等方面与常规矩形主动冷却通道进行了比较。结果表明,在相同工况下,由错排网格填充的冷却通道结构综合性能最佳,其减重效果达39.93%,壁面温度显著下降,且努塞尔数最高达到光通道的2.156倍。从流动传热机理分析可看出,网格前缘冲击效应形成的马蹄涡和后缘附近发卡涡结构对强化传热贡献最大,扰动边界层和激发湍动能也是强化传热的重要因素。