液体火箭发动机喷注系统动力学特性研究

发布时间：2020-05-16 07:00

【摘要】：本文针对液体火箭发动机中不稳定燃烧产生的动力学原因展开研究,重点介绍液体火箭发动机喷嘴的动力学特性,对不同形式的喷嘴进行理论分析,获得其动力学函数,并讨论结构参数对喷嘴动力学特性的影响。对液体火箭发动机喷注系统的动力学特性进行了定量分析,并与燃烧室动力学特性相结合,针对发动机实例进行了燃烧稳定性分析。本文分析讨论了巴扎罗夫、杨立军等人针对液体离心式喷嘴的研究成果,进行了一定扩展,根据离心式喷嘴切向入口及喷口的类型将离心式喷嘴分为六种不同类型,分别获得了其动力学传递函数,计算分析了结构参数对离心式喷嘴动力学特性的影响,说明了对离心式喷嘴动力学特性影响最大的结构参数;以Rocker和Hutt提出的数值方法为基础,介绍了液体直流式喷嘴动力学特性的计算方法,使用该方法分析了不同工况下液体直流式喷嘴动力学特性的变化情况,结合工程情况,分析了喷孔环三个参数对喷嘴动力学特性的影响,给出了带有喷孔环喷嘴的一阶固有频率的计算公式;针对气体直流式喷嘴进行了动力学建模,得到了气体直流式喷嘴动力学传递函数及固有频率的计算公式,讨论了当气体流动以及存在自激振荡时的动力学特性,并且使用得到的结论对实验模型进行了具体计算和分析,比较了实验与理论计算结果。本文比较了液体离心式喷嘴、液体直流式喷嘴和气体直流式喷嘴的动力学特点,对喷嘴动力学特性进行了统一的数学描述,介绍了声学系统的电学比拟,给出了考虑非理想出入口边界条件下喷嘴动力学传递函数表达式,说明了喷注耦合燃烧稳定性的稳定判别式,并针对液体火箭发动机喷嘴与不稳定燃烧给出了设计建议。本文的分析计算结果表明:(1)敞口型离心式喷嘴的动力学特性优于收口型离心式喷嘴;(2)可以通过改变离心式喷嘴旋流腔长度和切向入口位置来改变其动力学特性;(3)液体及气体直流式喷嘴的长度是影响其动力学特性最主要的参数;(4)气体直流式喷嘴的边界条件对其动力学特性有重要影响;(5)喷孔环的存在对液体直流式喷嘴的动力学特性会产生较大影响,可以通过改变喷孔环结构参数调节液体直流式喷嘴的一阶固有频率;(6)波的传播是影响喷嘴动力学特性机理的重要因素;(7)燃烧分布对燃烧稳定性有影响。
【图文】：

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如图 1.1 所示。在燃烧室内出现压力振荡或者流速振荡时，会直接影响燃烧室内部的反应过程（图1.1 中的过程 1），此时形成了一个自激振荡回路。同时，燃烧室内燃气的压力振荡也会对喷注过程产生影响，使喷嘴内工质的流量产生脉动（图 1.1 中过程 2）。这些脉动一方面影响下游燃烧室内的反应过程，另一方面会激起上游供应系统内的压力振动。供应系统内还有上游传播进入、外界系统进入的振动，这些振动合在一起又会对喷嘴内的流动产生影响（图 1.1 中过程 3）。由此可见，，喷嘴位于供应系统和燃烧室之间，会同时与上下游的振动产生相互作用，是发动机内的重要动态环节，其动力学特性会最终影响发动机燃烧的稳定性。因此有必要针对喷嘴的动力学过程进行研究。液体火箭发动机的主推力室、燃气发生器及预燃室等都存在若干喷嘴。推进剂状态、工况的不同决定了各部件内喷嘴的类型各不相同。常用的喷嘴按照结构可以分为直流式与离心式喷嘴两种；按照介质状态可以分为气体与液体两种。在泵压式氢氧发动机中，

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刘f逃幔阂禾寤鸺⒍缱⑾低扯ρ匦匝芯空攵圆晃榷ㄈ忌湛沽搜芯俊；朴窕栽谒牟┦柯畚腫1]中，重点围绕化学动力学方向进行了研究，说明了化学动力学在不稳定燃烧激励方面的机理，其成果得到了学术界的认可。1.2.3 喷注耦合不稳定性与喷嘴动力学喷注耦合的燃烧不稳定性（Injection-Coupled Combustion Instability）理论最早由美国的 Hutt, J. J.和 Rocker, M.提出，并在文献[22]中作了阐述。在该理论中，燃烧不稳定机理被分为固有机理和喷注耦合机理两种。其中固有机理（也称为燃烧耦合的机理）指的是由于雾化、蒸发、混合和燃烧等过程产生的不稳定性；喷注耦合机理则是由于喷注流量的变化对不稳定产生的放大或抑制作用。固有机理和喷注耦合机理共同造成了不稳定燃烧的产生。文献[23]将喷注耦合的燃烧不稳定性的研究对象总结为“振幅-相位-频率特征（Amplitude-Phase-Frequency Characteristics，APFC）”。图 1.2 展示了其框图。
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V434

【参考文献】