NOFBX推力器内燃烧及传热特性数值模拟

发布时间：2020-03-25 14:54

【摘要】：卫星火箭工作过程中推进系统是最为重要的部分,在卫星的姿态、在轨运行状态下起重要作用。当前空间推进剂主要采用肼类推进剂及其衍生物,如甲基肼(MMH)、无水肼、偏二甲肼(UDMH)、DT3等。肼类推进剂具有较高的性能比冲,技术完善,现已经在单组元或双组元航天推进系统中广泛使用。然而由于肼类推进剂含剧毒性,在工作过程中危险系数较高,对环境污染程度大,故近年来国内外将目光集中于新型绿色空间推进剂。其中美国Firestar Technologies提出了一种采用N20与碳氢燃料混合而成的推进剂NOFBX,NOFBX推进剂具有燃料供应系统架构简单、比冲性能高、可采用电火花点火、深度可节流调节性、没有有毒成分和废气、保存温度范围广、成本相对较低等优点,现已经吸引了许多国内外学者的目光。在NOFBX推力器工作过程中包含各种复杂的物理及化学过程。为了研究NOFBX推进剂在再生冷却推力器内的工作过程,对推力器的设计及优化提供理论支持,本文采用计算机CFD数值模拟的方法对推力器的详细工作过程进行数值模拟,研究其燃烧特性与传热特性,主要包括以下内容:首先基于NOFBX推力器工作过程中推进剂在推力器内的流动、传热、雾化、蒸发、燃烧、辐射等各种复杂的物理和化学过程,以及上述各个过程之间的耦合相互作用关系,建立推力器内的流动模型、组分输运模型、离散液滴蒸发模型和传热模型。并简化得到26组分44步基元反应的简化反应动力学模型。其次基于所建立的模型对NOFBX推力器的开机过程、稳定工作过程,以及关机过程进行数值模拟分析,获得NOFBX推力器在各个工作过程中的温度、压力、组分的分布情况,直观研究推力器工作过程,分析得出推力器内推进剂燃烧规律。再其次针对不同工况下推力器内的燃烧情况进行研究。对不同质量流量、燃烧室长度、氧化剂与燃料配比三个参数分别计算,得出各个参数对推力器燃烧过程的影响。通过对不同参数进行CFD仿真计算研究,分析不同参数对燃烧特性的影响,并对NOFBX推力器进行部分参数优化计算。本文最后基于燃烧室内的推进剂燃烧过程,对NOFBX推力器再生冷却流道内的传热过程进行模拟计算,研究流道壁面散热效果。获得入口推进剂温度分别为243K和273K情况下壁面的散热状态以及推进剂在管道内的蒸发相变情况,分析推力器内的传热特性,对推力器设计提供理论参考。
【图文】：

示意图,分布特性,内流场,喷管

国防科学技术大学龚亮等人［２３］对小推力（ＩＯＮ）的Ｎ２０单组元推力器进行系逡逑统方案的设计，同时通过数值模拟方式对Ｎ２０贮箱自增压特性和Ｎ２０单组元推力逡逑器的流场进行了研究。仿真结果如图１－２所示。翟小飞，周进，赖林等人对液态氧逡逑化亚氮的供应系统和Ｎ２0／Ｃ７Ｈ８混合燃气单喷嘴进行了设计。同时对液态氧化亚氮逡逑得供应系统和Ｎ２０／Ｃ７Ｈ８在推力器内的点火及燃烧特性进行了数值模拟分析［２４］。逡逑推力测试台架设计是准确测量火箭发动机推力的关键问题之一，但现有的测逡逑试台架能够很好兼顾长、短脉冲测试的较少。巴西国家太空曙Ｒｉｃａｒｄｏ邋Ａｍａｒａｌ逡逑Ｃｏｎｔａｉｆｅｒ等人进行了一种混合推进器试验台的开发，主要的系统包括推进剂储存，逡逑压力、管道、流量控制、数据采集和诊断等，采用Ｎ２０与烃类作为燃料进行了测逡逑试，给出了初步的试验结果［２５］。国内国防科技大学的董洪强，袁杰红［２６］设计了一逡逑种采用传感器陶瓷厚膜技术的１００Ｎ小推力液体火箭发动机动态推力测试台架，并逡逑且进行了热试车试验。台架示意图如图１－３所示。逡逑８逡逑

台架,结构示意图,氧化亚氮,复合技术

但对Ｎ２０的研究却从未终止［２７ｐ８］。随着科学家对Ｎ２０理化性质、安全性及其与燃逡逑料复合技术可行性等不断深入研究，到２１世纪初，美国和德国开始对氧化亚氮一逡逑烃类单元复合推进及相关技术开展研究，并取得了可喜的进展。如图１－４为ＮＯＦＢＸ逡逑推进剂发展历程。逡逑９逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V430

【参考文献】