液体火箭发动机喷管型面设计与传热仿真分析研究

发布时间：2021-07-31 23:18

　　在液体火箭发动机中,喷管是产生推力的主要部件,高温高压的燃气在喷管中膨胀加速,由喷管出口排出并产生推力。液体火箭发动机的喷管由收敛段和扩张段组成,燃气在喷管中的流动直接受喷管型面的影响,其中又以扩张段型面的影响最大。对于不同扩张段型面的喷管,管内气体的流动传热特性存在差异,喷管的性能高低不同。在实际应用中,喷管的选择需考虑比冲、质量、传热等方面的要求。因此,研究不同喷管的流动传热特性以及性能差异具有重要的工程意义。本文首先对理想喷管、截短理想喷管、压缩截短理想喷管和最大推力喷管的扩张段型面设计方法进行了研究,在给定面积比和长度的条件下,使用MATLAB编写了各喷管扩张段型面的设计程序;在喷管型面计算中,提出综合索尔法和克列格尔法对喷管跨声速区进行求解的方法,由索尔法得到初值线,并采用克列格尔法计算初值线上的速度。在完成喷管型面设计的基础上,本文通过数值模拟对截短理想喷管（TIC）、压缩截短理想喷管（CTIC）和最大推力喷管（TOC）的流动特性进行研究,计算并比较不同喷管的性能参数,其中喷管长度取15°锥形喷管的80%。结果表明:（1）最大推力喷管的几何效率较高,摩擦效率较低,喷管质量较... 

【文章来源】：中国运载火箭技术研究院北京市

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 液体火箭发动机常用喷管的发展
        1.2.2 液体火箭发动机喷管的性能研究
        1.2.3 液体火箭发动机喷管的传热研究
    1.3 主要研究内容
2 超声速喷管设计
    2.1 常用喷管类型与特点
    2.2 喷管跨声速区近似解
        2.2.1 索尔法
        2.2.2 克列格尔法
    2.3 特征线法
        2.3.1 特征线法的原理
        2.3.2 特征线法的数值计算
    2.4 理想喷管
    2.5 截短理想喷管
    2.6 压缩截短理想喷管
    2.7 最大推力喷管
    2.8 本章小结
3 喷管性能评估
    3.1 二维数值模拟方法及验证
        3.1.1 控制方程
        3.1.2 湍流模型
        3.1.3 数值方法
        3.1.4 计算模型与边界条件
        3.1.5 喷管冷流数值模拟结果与验证
    3.2 不同喷管的性能对比
        3.2.1 TOC与 TIC的性能比较
        3.2.2 CTIC的性能研究
    3.3 设计参数对喷管性能的影响
    3.4 本章小结
4 喷管再生冷却传热特性研究
    4.1 三维数值模拟方法
        4.1.1 几何模型
        4.1.2 计算方法与物性参数
        4.1.3 网格划分与边界条件
    4.2 喷管上段数值模拟结果分析
    4.3 喷管上段一维传热程序计算
        4.3.1 一维传热程序计算原理
        4.3.2 一维传热程序计算结果
    4.4 本章小结
5 总结与展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]超声速燃气射流流场特性的三维数值模拟[J]. 张磊,王浩,阮文俊,王金龙,张成.  弹道学报. 2015(02)
[2]基于FLUENT的火箭发动机喷管流场数值模拟[J]. 李阳,张国伟,张国栋.  机电技术. 2013(03)
[3]液体火箭发动机推力室冷却通道流动与传热数值研究[J]. 吴峰,王秋旺,罗来勤,孙纪国.  推进技术. 2005(05)
[4]三维数值模拟再生冷却喷管的换热[J]. 李军伟,刘宇.  推进技术. 2005(02)
[5]液体火箭发动机的技术发展与展望[J]. 胡平信,刘国球.  导弹与航天运载技术. 1998(02)
[6]液体火箭发动机铣槽推力室三维壁温分布计算[J]. 韩振兴,林文,张远君,朱谷君,冀守礼.  航空动力学报. 1996(02)
[7]喷管扩张段优化型面近似计算[J]. 方丁酉.  固体火箭技术. 1991(01)
[8]喷管流场和性能计算及其影响因素[J]. 黄崇锡.  宇航学报. 1982(04)
[9]最大推力喷管原理[J]. 黄崇锡.  工学学报. 1979(04)

硕士论文
[1]超音速/高超音速喷管变比热型面设计与数值模拟[D]. 李记东.西北工业大学 2004



本文编号：3314366