推进剂贮箱出流起漩塌陷影响规律及抑制措施

作     者：黄仁建 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏晨

授予年度：2021年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 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：起漩塌陷 圆盘直径 圆盘安装高度 变过载 十字隔板 

摘      要：推进剂贮箱是液体火箭发动机结构的重要组成部分,是液体火箭推进剂唯一的贮存及运输装置。推进剂贮箱内部除了推进剂外,还需填充增压气体,使推进剂的出口压力及流量满足发动机的要求,故贮箱内部存在气液两相;在贮箱出流末期,液面通常会发生塌陷现象,以及火箭工作过程中的扰动使贮箱产生的起漩现象,容易导致输送管内夹气,造成发动机不能正常工作,剩余的推进剂将不可使用,故对液体火箭推进剂贮箱出流起漩塌陷现象及其抑制措施研究有着非常重要的意义。本文以某液体火箭发动机助推氧箱为研究对象,建立了多相流模拟的计算方法,研究了贮箱出流的起漩塌陷现象,基于此进一步研究圆盘、十字隔板以及变过载工况下对塌陷及起漩的影响。主要工作包括:建立了液体火箭发动机助推氧箱出流的气液两相非定常流动的数值计算方法,使用均相流模型,自由表面界面传递模型以及标准k-?湍流模型,结构化网格对自由液面的捕捉效果优于非结构化网格,以此建立的计算模型,成功模拟了贮箱的出流过程。研究了推进剂贮箱出流起漩塌陷时的流动特性,塌陷过程存在一个由慢到快再变慢的过程,液面塌陷是由于液位较低时,周围液氧不足以补充中心液面因为流速快而流走的液氧,故贮箱出流的塌陷现象是无法避免的,但可以采取措施减小中心处的液氧的流速以延缓液面塌陷的时刻;给定初始旋转角速度?对出流的漩涡运动进行研究,?=0.1rad/s时,贮箱内无明显起漩现象,夹气时刻相较于无?时延后;?=1rad/s、5rad/s时,贮箱内液氧出现了明显的绕轴线旋转运动,液氧沿周向流往输送管口,?越大,周向运动越明显,夹气时刻相较于无?时提前。分析了圆盘直径、圆盘安装高度对贮箱出流出现的塌陷现象的影响规律。在圆盘直径一定时,夹气时刻随安装高度提升大体上呈现提前的现象,即发生夹气时贮箱内剩余量增多,但随着圆盘安装高度提升输送管内的流动差异性减小,流动损失降低。在圆盘安装高度一定时,随着圆盘直径的增大,夹气时刻有了较大的推迟,剩余量占比从8.6%下降到了2.66%,贮箱出流的流动损失仅增加了2.9%,故圆盘直径的增大,防塌效益明显。分析了大的变过载工况下圆盘对贮箱出流流动塌陷现象的抑制效果,变过载工况下夹气时刻随圆盘安装高度的变化趋势与常过载工况基本相同,但变过载工况下夹气时刻大幅度延后,很大程度上减少了液氧的剩余量;相对于常过载工况,变过载下输送管内的流动差异性减小,整个输送管内的流动状况有所改善。分析了十字隔板对贮箱内起漩现象的影响情况,十字隔板可以将贮箱内形成的大涡分割成小涡,有效的减弱了漩涡的强度,使得夹气时刻延后,剩余量减少,流动损失降低。带孔十字隔板与无孔十字隔板相比,对贮箱内起漩现象无明显的影响。分析了距输送管口不同截面处的夹气时刻,在距输送管口较远处,即经历了充分长距离的管流后,圆盘在不同直径及安装高度下的夹气时刻已较为接近,长距离的管流对气液两相流动的影响很大。