液体火箭发动机燃料贮箱出流塌陷夹气现象的研究

发布时间：2017-08-12 20:39

  本文关键词：液体火箭发动机燃料贮箱出流塌陷夹气现象的研究

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【摘要】：液体火箭发动机燃料贮箱是火箭贮存和输送液体燃料的唯一装置。贮箱内填充加压气体,如果贮箱设计不当,液体燃料出流末期液面会产生严重的塌陷现象,导致输送管内夹气,引起涡轮泵空化,造成发动机不能正常工作,将对整个动力系统产生非常不利的影响,故对液体火箭贮箱出流塌陷过程进行研究有着非常重要的意义。本文以某新型液体火箭发动机贮箱为研究对象,讨论并建立了适用于贮箱出流塌陷过程的数值计算方法,研究了液体火箭发动机燃料出流塌陷过程的流动特性,分析了出流流量、周向扰动和晃动对塌陷夹气过程的影响,主要成果如下:建立了液体火箭发动机燃料贮箱出流塌陷夹气过程的数值计算方法。应用均相流模型、Level Set相界面构造方法和k??湍流模型,建立了贮箱出流塌陷夹气过程的气液两相湍流计算模型,成功模拟了贮箱出流塌陷夹气的非定常流动过程。研究了液体火箭发动机贮箱出流塌陷夹气过程的流动特性。整个塌陷夹气过程平稳发展,具有非常好的出流对称性;箱内液体速度均表现为由四周向出流管口流动的规律,轴向向下运动的速度表现为主要的分速度,且液体所在高度越低,离出流管越近,速度越大;当液面高度降低时,由于出流速度不足以满足出口对流量的需求,发生塌陷夹气。分析了出流流量对液体火箭发动机贮箱出流塌陷夹气过程的影响。研究发现:出流速度越低,出流管半径越小,即出流流量越小,对应的液面塌陷高度越低,箱内液体剩余量越少,燃料利用率越高。拟合不同流量工况时的塌陷临界液深,分析发现,塌陷的临界液深与出流流量之间呈函数关系。分析了周向扰动对液体火箭发动机贮箱出流塌陷夹气过程的影响。周向扰动改变了与液面平行面上液体的速度分布,在出流初期,由于液面较高,从液面到出口有足够的轴向向下速度,因此周向扰动未对出流造成影响;随着液面下降,出流管上方轴向速度难以满足出流速度要求,同时周向扰动使得与液面平行的面速度无法补充轴向速度,因此在有扰动情况下液面塌陷面积增大,塌陷加速发展。分析了液体火箭发动机贮箱出流晃动速度对塌陷夹气过程的影响。晃动对出流影响是显著的,不同程度的晃动均会大幅提前出流塌陷夹气的过程,导致液体剩余量增加,燃料利用率降低;一般情况下,晃动频率越小,幅度越大,出流夹气发展越快;但晃动对夹气的影响不是单一变化的,受晃动频率和晃动幅度的双重影响,当晃动的频率与幅度达到某种特定关系时(都比较大时),塌陷先沿横向发展,纵向发展速度较慢,这种发展方式可以有效延迟晃动夹气的发展。
【关键词】：塌陷夹气 出流流量 临界液深 周向扰动 晃动
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V434
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 本课题研究背景11
• 1.2 贮箱出流塌陷夹气的研究现状及发展11-16
• 1.2.1 夹气现象分类12-14
• 1.2.2 国内外有关塌陷夹气的研究方法14-16
• 1.3 本课题的主要工作16-17
• 第2章 贮箱出流数值计算方法17-36
• 2.1 多相流模型17-19
• 2.1.1 均相流模型17-18
• 2.1.2 非均相流模型18-19
• 2.1.3 多相流模型的选取19
• 2.2 相界面构造方法19-24
• 2.2.1 Level Set方法20-21
• 2.2.2 Mixture模型21
• 2.2.3 相界面模型的选取21-24
• 2.3 湍流模型24-31
• 2.3.1 标准~(k-ε)模型24-25
• 2.3.2 RNG~(k-ε模型25
• 2.3.3 标准~(k -ω)模型25-26
• 2.3.4 SST~(k -ω)模型26-31
• 2.4 数值计算方法验证31-35
• 2.5 本章小节35-36
• 第3章 贮箱出流塌陷夹气现象分析36-67
• 3.1 出流及塌陷过程分析36-45
• 3.1.1 塌陷过程描述36-41
• 3.1.2 塌陷机理分析41-45
• 3.2 外界因素对塌陷影响分析45-66
• 3.2.1 出流流量对塌陷影响分析45-49
• 3.2.2 周向扰流对塌陷影响分析49-57
• 3.2.3 晃动速度对塌陷影响分析57-66
• 3.3 本章小结66-67
• 第4章 结论与展望67-69
• 4.1 主要结论67-68
• 4.2 工作展望68-69
• 参考文献69-72
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单72-73
• 致谢73

【参考文献】

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1 胡平信,刘国球;液体火箭发动机的技术发展与展望[J];导弹与航天运载技术;1998年02期

2 王海斌,张嘉钟,魏英杰,于开平,贾力平;空泡形态与典型空化器参数关系的研究——小空泡数下的发展空泡形态[J];水动力学研究与进展(A辑);2005年02期

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本文编号：663559