气氧/甲烷火箭燃烧室火焰发展规律及其对热环境的影响

发布时间：2023-04-28 02:04

　　近年来随着商业航天领域的兴起,人们对高性能以及低成本的液体火箭发动机的需求日益增长,可重复使用液体火箭发动机成为未来液体火箭发动机的重要发展方向,而氧/甲烷液体火箭发动机凭借甲烷燃料优秀的冷却性能,较高的结焦温度和良好的推进性能成为可重复使用发动机中最有潜力的一种。推力室作为液体火箭发动机中的核心部件,其中的燃烧和传热过程直接决定着发动机的性能与可靠性。本文通过数值模拟方法,以带有七同轴剪切喷注器的缩尺气氧/甲烷火箭发动机推力室为研究对象,详细分析了燃烧室中的壁面传热过程,混合燃烧过程以及唇口厚度产生的影响,为氧/甲烷火箭发动机的研制提供一定的指导。本文首先建立了氧/甲烷火箭燃烧室湍流燃烧过程的数值模型,验证了基于RANS框架和EDC有限速率模型的数值方法对该过程的适用性。但对于壁面热载荷存在着近30%的过高预测。之后本文针对数值模型对壁面热载荷预测能力的缺陷做深入的分析,发现由壁面的强冷却效应带来的化学平衡移动会对壁面热载荷产生显著地影响,且这一影响还与燃烧室中三维流动效应相耦合。计算结果表明新的耦合壁面函数可以显著改进数值模型对于壁面热载荷的预测能力,且不影响主流的混合燃烧过程。然...

【文章页数】：100 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 液体火箭发动机的研究发展现状
        1.2.2 氧/甲烷火箭发动机的研究现状
        1.2.3 燃烧和传热过程是火箭燃烧室中的关键过程
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 气氧/甲烷火箭燃烧室湍流燃烧数值模型的建立与分析
    2.1 引言
    2.2 气氧/甲烷火箭燃烧室的物理模型与计算模型
        2.2.1 七喷嘴气氧/甲烷缩尺火箭燃烧室实验装置
        2.2.2 七喷嘴气氧/甲烷缩尺火箭燃烧室计算域及边界条件
        2.2.3 数值模型及数值求解方法
        2.2.4 网格无关性验证
    2.3 气氧/甲烷火箭燃烧室基本湍流燃烧及传热过程分析
        2.3.1 燃烧室中甲烷燃烧过程及其阶段性特征
        2.3.2 燃烧室中三维旋涡结构的拉伸与推挤作用
    2.4 本章小结
第3章 氧/甲烷火箭燃烧室壁面传热过程的预测改进
    3.1 引言
    3.2 建立考虑强温度梯度和化学反应的耦合壁面函数
        3.2.1 壁面函数的本质
        3.2.2 耦合壁面函数的推导
    3.3 基于UDF的耦合壁面函数实施办法及其验证
        3.3.1 耦合壁面函数的UDF程序框架
        3.3.2 基于宏DEFINE_ADJUST的参数计算过程
        3.3.3 耦合壁面函数的验证
    3.4 耦合壁面函数的数值结果分析
        3.4.1 耦合壁面函数对壁面热流预测的显著改进
        3.4.2 耦合壁面函数作用机理及其适用性分析
    3.5 本章小结
第4章 气氧/甲烷火箭燃烧室中主流燃烧过程的阶段界定
    4.1 引言
    4.2 化学动力学速率和混合速率的数字表征
        4.2.1 化学动力学速率的定性表征
        4.2.2 混合速率的定量表征
    4.3 基于混合速率的甲烷燃烧阶段界定与局部特征
        4.3.1 气氧/甲烷燃烧的四个线性阶段及控制因素
        4.3.2 气氧/甲烷燃烧释热率与混合强度的统一抛物关系
        4.3.3 燃烧室中三种强混合区域与火焰发展的对应关系
    4.4 本章小结
第5章 喷注器唇口厚度对燃烧室中混合区域的作用及影响
    5.1 引言
    5.2 唇口厚度对局部混合过程的作用
    5.3 局部混合过程改变对燃烧与传热过程的影响
        5.3.1 燃烧初始阶段的均匀化
        5.3.2 燃烧室前段壁面热载荷的回落
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢



本文编号：3803514