HAN基液体推进剂喷雾及电点火特性的实验研究与数值模拟

发布时间：2017-08-02 04:10

  本文关键词：HAN基液体推进剂喷雾及电点火特性的实验研究与数值模拟

  更多相关文章： 液体推进剂 双股自击式喷嘴 空气雾化喷嘴 雾化性能 电点火 LP1846数值模拟

【摘要】：目前,世界各航天大国正在竞相开发比冲高、结构紧凑、环保性好、成本低廉的微小推力液体火箭发动机。本文以此为工程背景,开展绿色高能HAN基单元液体推进剂在小尺度空间喷雾及电点火特性研究。主要研究内容及成果如下:(1)采用三维相位多普勒粒子动态测试仪(PDA),针对HAN基液体推进剂模拟工质,分别测量了大气环境下和模拟燃烧室内双股自击式喷嘴的喷雾场特性参数。结果表明:喷射压力越大,液滴平均直径D32越小,雾化效果越好;在近喷嘴端液滴直径脉动较大,随着向下游扩展,脉动逐渐减小;喷雾场中液滴轴向速度在周向上呈双峰分布,α=90°和270°分别为两个峰值点;液滴轴向速度随着测量点与中心轴距离的增大而减小;距离喷嘴越远,液滴轴向速度和径向速度越小;喷射压力越大,液滴轴向速度和径向速度越大;模拟燃烧室内,液滴平均直径D32大于同条件下的大气环境,且D32的正态分布特征明显,两者液滴轴向速度较为接近,但模拟燃烧室对液滴径向速度影响较大。(2)设计了一种反向双旋流空气雾化喷嘴,运用PDA系统对该喷嘴在大气环境和模拟燃烧室内雾化参数的分布特性进行了测量。结果表明:随着距喷嘴轴向距离的增大,液滴平均直径D32呈现波动变化的趋势,液滴平均直径D32分布逐渐趋于均匀;在径向上液滴平均直径D32大致按照与中心轴的距离远近由大到小分布,距离中心轴越远,液滴D32越大;模拟燃烧室内,液滴平均直径D32周向分布波动较大,当液体喷射压力保持不变,增大气体喷射压力,液滴平均直径变小,液滴轴向速度变大;当气体喷射压力保持不变,提高液体喷射压力,液滴平均直径增大,但液滴轴向速度变化较小。(3)在双股自击式喷嘴雾化实验的基础上,建立了二维非稳态喷雾模型并进行了数值模拟。结果表明:两股射流撞击后,呈现出以撞击点为顶点的雾化锥角,雾化场呈锥形发展,并且在边缘处存在大量的离散液滴;受到壁面的限制,模拟燃烧室内雾化场边缘处的离散液滴数多于大气环境;喷射压力越大,液滴平均直径D32越小,液滴轴向速度越大;随着撞击角度增大,雾化液滴直径D32和轴向速度均呈现减小的趋势;液体工质的粘度越大,雾化液滴直径D32越大,轴向速度越小。模拟结果与实验结果基本吻合,最大误差为8.19%。(4)在反向双旋流空气雾化喷嘴喷雾实验基础上,建立三维非稳态雾化模型并进行了数值模拟。结果表明:在大气环境中,雾化场大致呈锥形发展,受环境气体影响流场状态较为复杂,出现了多个涡旋同时存在的情况;在模拟燃烧室内,喷雾的外观轮廓最初为"锥形",与燃烧室壁面撞击后转变为"梭形",模拟燃烧室内的流场对称性较好,体现了壁面对于流场均匀性的提升效果。在模拟燃烧室内,当液体喷射压力保持0.2MPa,提高气体喷射压力,液滴平均直径D32变小,液滴轴向速度变大;当气体喷射压力大于0.45MPa后,进一步增大气体喷射压力,液滴平均直径D32变化较小;当气体喷射压力保持0.35MPa,提高液体喷射压力,液滴平均直径D32和轴向速度都随之变大,其中D32变化幅度较大,而液滴轴向速度变化幅度较小;液体模拟工质粘度越大,液滴平均直径D32越大,液滴轴向速度越小。(5)设计了单滴电点火实验平台,研究了 HAN基液体推进剂LP1846液滴在常压下的电点火特性。在实验的基础上,建立液滴二维非稳态电点火模型。结果表明:液滴在线性的加载电压作用下,首先经历受热、蒸发和热分解过程,然后才会着火燃烧;在点火过程中,流经液滴的电流呈现先增大后减小的变化趋势,加载电压越大,电流峰值越大,峰值出现时间也越早;根据化学反应速率与温度分布变化特点,可以将点火过程分为预热、热分解及燃烧三个特征段,相应阶段LP1846单滴由球形变为伞形直至消耗完毕,液滴的着火延迟期随着最大加载电压数值的增大而减小。(6)设计了环形序列脉冲电点火实验装置,开展了大气环境下LP1846液雾电点火实验。在实验基础上,建立了三维非稳态喷雾、电点火及燃烧推进模型,并进行了相应数值模拟。针对模拟推力室,采用环形序列脉冲电点火装置,对其工作过程进行数值预测。结果表明:模拟结果与实验结果基本吻合。环形序列脉冲电点火装置可以较好地实现多点点火,有利于提高LP1846液雾点火可靠性;序列脉冲放电火花点燃液雾后,多点分离的火焰会逐渐合拢成一体,火焰整体呈空心锥结构;提升电极转速,点火区域的面积增大;提升放电电压会使放电火花的大小和温度增加,单位时间内火焰数显著增多,有利于点燃液滴群;针对模拟推力室,放电电压或电极转速越大,启动阶段的推力峰值越大,并且出现时间越早,启动阶段所需的时间也越短;气体喷射压力提高,推力峰值提升,启动时间缩短;液体喷射压力增加,启动阶段与正常工作阶段的推力曲线整体上升。
【关键词】：液体推进剂 双股自击式喷嘴 空气雾化喷嘴 雾化性能 电点火 LP1846数值模拟
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V511
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 1 绪论19-30
• 1.1 研究背景及意义19-20
• 1.2 国内外研究现状20-29
• 1.2.1 液体推进剂发展现状及特点分析20-22
• 1.2.2 火箭发动机的电点火研究概况22-24
• 1.2.3 火箭发动机喷雾燃烧研究概况24-29
• 1.3 本文主要工作29-30
• 2 双股自击式喷嘴雾化特性的实验研究30-55
• 2.1 引言30
• 2.2 实验设备及测试方法30-34
• 2.2.1 实验系统30-31
• 2.2.2 测试方法31-33
• 2.2.3 喷雾场空间测点的设定33-34
• 2.3 双股自击式喷嘴在大气环境下的雾化特性34-43
• 2.3.1 液滴平均直径表示方式34-35
• 2.3.2 雾化场液滴平均直径的空间分布35-38
• 2.3.3 液滴轴向速度的空间分布38-40
• 2.3.4 液滴径向速度的空间分布40-43
• 2.4 双股自击式喷嘴在模拟燃烧室内的雾化特性43-52
• 2.4.1 雾化场液滴平均直径的空间分布43-46
• 2.4.2 液滴轴向速度的空间分布46-49
• 2.4.3 液滴径向速度的空间分布49-52
• 2.5 模拟燃烧室与大气环境中喷雾特性的比较52-54
• 2.6 本章小结54-55
• 3 反向双旋流空气雾化喷嘴雾化特性的实验研究55-72
• 3.1 引言55
• 3.2 喷嘴结构设计及实验系统55-56
• 3.2.1 喷嘴结构设计55-56
• 3.2.2 实验系统56
• 3.3 反向双旋流空气雾化喷嘴在大气环境下的雾化特性56-63
• 3.3.1 雾化场液滴平均直径的空间分布56-60
• 3.3.2 液滴轴向速度的空间分布60-63
• 3.4 反向双旋流空气雾化喷嘴在模拟燃烧室内的雾化特性63-70
• 3.4.1 喷雾场液滴平均直径的空间分布64-67
• 3.4.2 液滴轴向速度的空间分布67-70
• 3.5 模拟燃烧室与大气环境中雾化特性的比较70-71
• 3.6 本章小结71-72
• 4 双股自击式喷嘴雾化特性的数值模拟72-83
• 4.1 引言72
• 4.2 双股自击式喷嘴雾化的理论模型72-75
• 4.2.1 物理模型72
• 4.2.2 数学模型72-74
• 4.2.3 初边界条件74-75
• 4.2.4 几何模型与网格划分75
• 4.3 大气环境中的数值模拟结果75-78
• 4.3.1 大气环境中的雾化场特性75-77
• 4.3.2 模拟结果与实验结果对比77-78
• 4.4 模拟燃烧室内的数值模拟结果78-80
• 4.4.1 模拟燃烧室内的雾化场特性78-79
• 4.4.2 模拟结果与实验结果对比79-80
• 4.5 多参数变化对雾化性能的影响80-82
• 4.5.1 喷射压力80
• 4.5.2 撞击角度80-81
• 4.5.3 液体工质粘度81-82
• 4.6 本章小结82-83
• 5 反向双旋流空气雾化喷嘴雾化特性的数值模拟83-94
• 5.1 引言83
• 5.2 计算模型83-86
• 5.2.1 物理模型83
• 5.2.2 数学模型83-85
• 5.2.3 初边界条件85
• 5.2.4 几何模型与网格划分85-86
• 5.3 大气环境中的数值模拟结果86-89
• 5.3.1 大气环境中的雾化场特性86-88
• 5.3.2 模拟结果与实验结果对比88-89
• 5.4 模拟燃烧室内的模拟结果89-91
• 5.4.1 模拟燃烧室内的雾化场特性89-90
• 5.4.2 模拟结果与实验结果对比90-91
• 5.5 多参数变化对雾化性能的影响91-93
• 5.5.1 气体喷射压力91-92
• 5.5.2 液体喷射压力92
• 5.5.3 液体工质粘度92-93
• 5.6 本章小结93-94
• 6 HAN液体推进剂单滴电点火的实验研究与数值模拟94-109
• 6.1 引言94
• 6.2 单滴电点火实验装置94-95
• 6.3 LP1846单滴电点火的实验结果95-99
• 6.3.1 LP1846单滴电点火过程特性分析95-98
• 6.3.2 加载电压对LP1846单滴着火延迟期的影响98-99
• 6.4 LP1846单滴电点火模型99-102
• 6.4.1 物理模型100
• 6.4.2 数学模型100-101
• 6.4.3 计算模型与网格划分101-102
• 6.5 LP1846单滴电点火过程的模拟结果与分析102-108
• 6.5.1 点火过程特征阶段102-106
• 6.5.2 液相体积分数变化106-107
• 6.5.3 组分质量分数变化107
• 6.5.4 液滴着火延迟期107-108
• 6.6 本章小结108-109
• 7 环形序列脉冲电点火的实验研究与数值模拟109-137
• 7.1 引言109
• 7.2 环形序列脉冲电点火实验装置109-111
• 7.2.1 实验装置构成及特点109-111
• 7.2.2 实验方法111
• 7.3 环形序列脉冲电火花的空间分布特性111-113
• 7.4 实验结果与讨论113-117
• 7.4.1 电极转速对点火特性的影响113-115
• 7.4.2 放电电压对点火特性的影响115-117
• 7.5 环形序列脉冲电点火模型117-121
• 7.5.1 物理模型117-118
• 7.5.2 数学模型118-121
• 7.6 计算结果与实验结果的定性比较121-122
• 7.7 LP1846液雾环形序列脉冲电点火特性的数值模拟122-129
• 7.7.1 喷雾场温度分布特性122-124
• 7.7.2 电极转速对于点火特性的影响124-127
• 7.7.3 放电电压对于点火特性的影响127-129
• 7.8 模拟推力室中LP1846喷雾及电点火过程的数值模拟129-135
• 7.8.1 计算模型129-130
• 7.8.2 几何模型与网格划分130-131
• 7.8.3 模拟结果与分析131-135
• 7.9 本章小结135-137
• 8 结论与展望137-141
• 8.1 主要结论137-140
• 8.2 主要创新点140
• 8.3 工作展望140-141
• 致谢141-142
• 参考文献142-152
• 附录152

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