火箭喷注器的流体特性研究及结构优化

发布时间：2020-11-06 15:00

　　 近年来,随着我国航天事业的蓬勃发展,航天动力系统研发取得了令人骄傲的成就,如神舟系列的运载火箭等。同时随着深空技术的快速发展,对航天器的动力系统研发也提出了新的要求,其主要目标就包括提高液体火箭发动机的性能、缩短研发周期、降低设计制造成本。喷注器作为液体火箭发动机的核心部件,其技术性能决定了推进剂的雾化混合效果以及发动机的燃烧效率。本文针对直流互击式喷注器展开了研究。主要内容包括:(1)根据直流互击式喷注单元的雾化特点,数值模拟出喷注单元的雾化过程。并对影响雾化特性的几个重要因素,进行详细的研究分析,得出一系列的结论,为直流互击式喷注单元的设计提供理论依据。(2)根据某推力发动机的设计要求、结合喷注器的流体特性理论、设计理论、喷注单元的雾化研究和设计经验,设计出了某推力液体火箭发动机的喷注器。运用数值模拟的方法对喷注器的内部流场以及喷嘴的均匀性进行数值模拟研究,并探究了总集液腔高度对内部压降的影响,最后通过冷试实验对其正确性进行验证。(3)通过热试实验研究了鲁泊数对燃烧性能的影响。根据对直流互击式喷注器内部流场分析得到的结果,结合流体特性理论和三维流道模型的数值模拟等对其进行了两次结构优化,最后通过热试车实验对其进行实验验证。本文通过开展对喷注单元的雾化特性研究,设计出喷注器结构,再结合内部流道的数值模拟和实验不断对结构进行优化,实验表明了分析、设计与优化的正确性,最终研制的喷注器的燃烧效率达到95%,符合产品的技术性能要求。为企业的喷注器设计、问题分析和结构优化提供了可行参考,同时也为同类研究设计提供了方法,具有推广意义。
【学位单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V434.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 液体火箭发动机的研究背景与意义
    1.2 液体火箭发动机的国内外发展现状
        1.2.1 液体火箭发动机的国外发展现状
        1.2.2 液体火箭发动机的国内发展现状
    1.3 火箭喷注器的研究现状与意义
    1.4 本文研究思路及主要研究内容
    1.5 本章小结
第2章 直流互击式喷注单元的雾化特性研究
    2.1 雾化数学模型简介
    2.2 射流撞击的数值模拟
    2.3 计算模型
    2.4 直流互击式喷注单元雾化研究
    2.5 控制变量法研究流体影响因素简述
    2.6 撞击角对直流互击式喷注单元雾化特性的影响
    2.7 动量比对直流互击式喷注单元雾化特性的影响
    2.8 射流速度对直流互击式喷注单元雾化特性的影响
    2.9 长径比对直流互击式喷注单元雾化特性的影响
    2.10 孔径比对直流互击式喷注单元雾化特性的影响
    2.11 本章小结
第3章 直流互击式喷注器的设计
    3.0 喷注器的系统几何结构介绍
    3.1 直流喷嘴流量特性理论
    3.2 直流喷嘴的初步计算
        3.2.1 流量系数的计算
        3.2.2 喷嘴直径的计算
    3.3 喷注器内部流道设计
    3.4 喷嘴的排布
    3.5 喷注器的三维建模
    3.6 本章小结
第4章 喷注器的内部流场研究及验证
    4.1 CFD方法
    4.2 直流互击式喷注器的物理模型
    4.3 湍流模型的选择
    4.4 计算模型的讨论
    4.5 格划分与边界条件
    4.6 SIMPLE算法与模拟结果分析
    4.7 实验验证
    4.8 基于数值模拟对集液腔高度的分析研究
    4.9 本章小节
第5章 喷注器热试实验研究与结构优化
    5.1 实验原理
    5.2 燃烧过程的描述
    5.3 基于热试实验对鲁泊数的研究
    5.4 喷注器的结构优化
        5.4.1 初步优化
            5.4.1.1 问题分析
            5.4.1.2 初步优化方案
            5.4.1.3 优化结果分析
        5.4.2 二次优化
            5.4.2.1 问题分析
            5.4.2.2 解决方案
            5.4.2.3 优化结果分析
    5.5 本章总结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
附录
    附录 A：在学期间发表的学术论文与研究成果

【参考文献】

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本文编号：2873293