液氧/甲烷针栓式喷注器雾化及燃烧特性研究

作     者：方昕昕 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈赤兵

授予年度：2015年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：变推力火箭发动机 针栓式喷注器 液氧 甲烷 雾化 燃烧 锥形液膜 

摘      要：液氧/甲烷针栓式变推力发动机具有结构简单、无毒、高比冲、燃烧稳定和推力调节范围大等优点,具有广阔的应用前景。本文通过理论分析、试验研究以及数值仿真等方法研究了针栓式喷注器锥形液膜破碎过程、雾化特性以及燃烧性能,并且分析了喷注器结构参数对其影响规律,为变推力发动机的设计提供参考。首先,分析得到了针栓式喷注器设计的基本准则。通过理论分析,得到了不同推进剂喷注通道形式下推进剂的流量调节特性,表明理论上针栓式喷注器能够实现任意形式的推进剂流量变化曲线。其次,研究了针栓式喷注器锥形液膜一次破碎过程。分析了针栓式喷注器与离心式喷嘴锥形液膜的异同。建立了无旋锥形液膜线性不稳定理论模型,求解色散方程,分析了喷注压降等参数对锥形液膜破碎过程的影响规律,并与试验结果对比,得到了C参数经验关系式、(7)(8)0lnbηη值以及破碎长度、破碎时间和扰动波波长随喷注器结构参数变化规律。结果表明无旋锥形液膜破碎模型可用于针栓式喷注器液膜破碎过程定性分析。然后,使用马尔文测量仪和高速摄影等试验手段,研究了针栓式喷注器稳态喷雾特性。分析了SMD、液滴分布均匀度指数以及雾化锥角等参数随气液流量比比和狭缝宽度的变化规律。试验表明,由于气动力的作用,当气液流量比大于0.206时,雾化边界可分为两段:上面段为收缩段,下面段为等直径段。最后,对针栓式发动机进行数值仿真,研究了喷注器以及燃烧室的主要结构参数对发动机流场结构及燃烧性能的影响规律。针栓式发动机中存在两个回流区,提高了发动机燃烧稳定性及燃烧效率。燃烧室壁面前半段附近的燃气温度较低,降低了发动机的冷却需求。此外,环缝形式的针栓式发动机燃烧室内会形成反应物“封闭区,对发动机燃烧效率的提高影响很大。为提高发动机性能,应将针栓式喷注器内侧燃料喷注通道改进成喷孔形式。