火箭发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

发布时间：2017-08-16 02:07

  本文关键词：火箭发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

  更多相关文章： 燃气射流 注水 汽化效应 两相流 缩比试验 导流槽

【摘要】：随着我国大运载火箭的研制与应用，对地面导流设备设计有效的热防护方案是保证发射成功的关键因素之一。采用向燃气流注水方式实现降温目的是最直接有效的方案，并且在国外航天发射场中得到了广泛的发展与应用。采用注水降温方案，关键是对注水方式和注水参数的设计与优化。实现这一技术途径首先需要对注水降温的机理有清晰的认识。本文以大推力运载火箭发射为背景，通过建立缩比模型，利用数值计算和试验研究对液态水与燃气射流的相互作用过程和降温效果进行了深入研究，主要工作包括以下几个方面： 1、通过对液态水汽化机理的研究，编制了液态水汽化吸热程序，在Mixture多相流模型基础上，建立了多组分气液两相流非定常计算模型，得到了三维流场分布结果。并通过试验方法对自由射流和注水燃气流场进行了研究，将测试结果与数值计算结果进行对比可以得到：所建立的模型具有较高的计算精度和可靠性，能够准确地对物理现象进行数值研究。在上述计算模型的基础上基于有限速率化学反应模型对燃气流场的复燃现象进行了模拟，结果表明：对于自由射流考虑复燃，，流场边缘温度有明显升高，但对于注水燃气流场，由于生成的大量水蒸气包裹住燃气流，在一定程度上隔绝了燃气流与外界空气的接触，复燃对流场仿真结果的影响较小。 2、通过研究注水总量不变的双注水管条件下，水流流速对燃气流场结构和降温效果的影响，得出水流的冲击会导致燃气主流出现压缩变形和分叉两种流动现象，在未达到分叉效果之前，燃气主流轴线温度随着注水总动量的增加不断下降，两者之间呈指数关系变化；在主流分叉的临界状态下，降温效果最佳。在主流出现分叉流动后，通过同时调节注水总量和水流流速，进一步研究了注水与流场降温之间的规律，得到了燃气主流随注水参数的增大会出现二次分叉现象，降温效果也有一定程度的改变。 3、通过研究在单喷水管注水参数不变和注水总量不变两种条件下，喷水管数量与流场结构和降温效果之间的变化规律，结果表明：在单喷管注水参数不变的条件下，改变喷水管数量，主流轴线温度变化与注水动量之间也具有指数变化关系，但递变规律发生了明显变化，轴线温度随注水水总动量的增加呈上升趋势；采用较小注水总量并保持不变的条件下改变喷水管数量，对燃气主流结构和降温效果没有产生明显变化。 4、研究了对燃气主流结构改变较小的四喷管注水降温效果，在此基础上针对流速和流量进行优化设计。结果表明：保持喷水管出口截面积不变的前提下，注水降温效果有所不同，采用较小注水量实现对燃气流表层的降温，在大流量注水工况下，实现对燃气核心区和表层的同时降温，并且降温效果受注水参数的影响较大，通过优化设计，可在满足降温要求的同时减小注水总量。 5、针对优化设计结果，通过数值计算与试验方法对加装导流槽后的注水降温效果进行了研究，并对导流槽的排导通畅性进行分析。在此基础上，应用动态分层法更新流场网格，以模拟火箭起飞阶段注水降温变化过程，结果表明：采用注水方式对燃气流场降温使导流槽表面受到的高温烧蚀作用明显降低，在冲击中心温度值由未采用注水降温方案的900K下降到500K，导流槽内气流整体温度也明显下降，在导流槽出口温度由600K降低到400K，并在火箭起飞阶段基本保持不变。但由于大量液态水汽化引起流入导流槽内气体总量增加，降低了导流槽的排导通畅性。
【关键词】：燃气射流 注水 汽化效应 两相流 缩比试验 导流槽
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V430;V433.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 论文研究的目的和意义12-14
• 1.2 国内外相关领域研究现状及发展趋势14-26
• 1.2.1 燃气射流数值模拟14-17
• 1.2.2 气液多相流研究概况17-19
• 1.2.3 气液传热与传质研究进展19-21
• 1.2.4 缩比试验研究概况21-23
• 1.2.5 注水降温国内外研究现状23-26
• 1.3 本文主要研究内容26-27
• 1.4 论文章节安排27-29
• 第2章 注水燃气流场数学模型研究29-45
• 2.1 引言29
• 2.2 物理模型29-35
• 2.2.1 燃气流场热力学参数计算模型29-31
• 2.2.2 液态水汽化模型31-33
• 2.2.3 化学反应模型33-35
• 2.3 数值计算模型35-42
• 2.3.1 控制方程35-37
• 2.3.2 多组分气体的热力学和输运性质37-39
• 2.3.3 Mixture多相流模型39-42
• 2.3.4 液态水汽化计算模型42
• 2.4 计算方法42-43
• 2.4.1 流场计算方法42-43
• 2.5 本章小结43-45
• 第3章 燃气流注水降温数值分析与试验研究45-78
• 3.1 自由射流流场计算与试验研究46-60
• 3.1.1 物理模型46-48
• 3.1.2 自由射流数值计算研究48-52
• 3.1.3 自由射流试验研究52-55
• 3.1.4 燃气自由射流流场仿真与试验验证55-60
• 3.1.5 本节小结60
• 3.2 注水燃气流数值计算与试验研究60-76
• 3.2.1 注水参数及模型61-62
• 3.2.2 数值计算结果分析62-74
• 3.2.3 复燃现象对仿真流场结构的影响74-76
• 3.2.4 小结76
• 3.3 本章小结76-78
• 第4章 注水降温影响因素研究78-125
• 4.1 水流流速因素影响分析79-103
• 4.1.1 工况1计算结果分析79-84
• 4.1.2 工况2计算结果分析84-88
• 4.1.3 工况3计算结果分析88-91
• 4.1.4 工况4计算结果分析91-94
• 4.1.5 工况5计算结果分析94-97
• 4.1.6 流场降温效果分析97-99
• 4.1.7 小结99-103
• 4.2 注水流速与流量双因素影响分析103-124
• 4.2.1 工况1计算结果分析103-106
• 4.2.2 工况2计算结果分析106-109
• 4.2.3 工况3计算结果分析109-113
• 4.2.4 工况4计算结果分析113-114
• 4.2.5 工况5计算结果分析114-115
• 4.2.6 工况6计算结果分析115-118
• 4.2.7 各工况降温效果分析118-123
• 4.2.8 小结123-124
• 4.3 本章小结124-125
• 第5章 注水管数量影响及注水参数优化设计125-151
• 5.1 水管数量因素影响分析125-138
• 5.1.1 工况1计算结果分析125-127
• 5.1.2 工况2计算结果分析127-130
• 5.1.3 工况3计算结果分析130-131
• 5.1.4 工况4计算结果分析131-132
• 5.1.5 工况5计算结果分析132-133
• 5.1.6 各工况降温效果分析133-136
• 5.1.7 小结136-138
• 5.2 四喷管注水参数优化分析138-146
• 5.2.1 工况2计算结果分析139-140
• 5.2.2 工况3计算结果分析140-141
• 5.2.3 工况5计算结果分析141-142
• 5.2.4 各工况降温效果分析142-145
• 5.2.5 小结145-146
• 5.3 试验验证146-150
• 5.3.1 普通摄影结果分析146-147
• 5.3.2 高速摄影结果分析147-148
• 5.3.3 高速摄影结果分析148-149
• 5.3.4 热点偶测试结果分析149-150
• 5.4 本章小结150-151
• 第6章 导流设备通畅性数值计算与试验研究151-163
• 6.1 自由射流数值计算研究151-154
• 6.1.1 数值计算模型151-152
• 6.1.2 数值计算结果分析152-154
• 6.2 自由射流试验研究154-156
• 6.3 注水降温导流计算研究156-157
• 6.4 注水燃气流场导流试验研究157-159
• 6.5 注水燃气流场动态计算159-161
• 6.5.1 计算结果说明159-161
• 6.6 本章总结161-163
• 第7章 结论与展望163-168
• 7.1 本文研究总结163-164
• 7.2 本文创新点164-165
• 7.3 进一步工作展望165-168
• 参考文献168-180
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单180-182
• 致谢182

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王汉平;余文辉;魏建峰;;潜射模拟弹筒口压力场仿真[J];兵工学报;2009年08期

2 陈二云;马大为;赵改平;周海军;;燃气自由射流的高精度间断有限元数值模拟[J];弹道学报;2009年01期

3 马艳丽;姜毅;王伟臣;颜凤;郝继光;;湿式同心筒自力垂直热发射技术降温效果研究[J];弹道学报;2010年04期

4 贾晓鸿;秋穗正;杨晓强;尹海锋;贾斗南;聂常华;;水平矩形窄缝通道内水沸腾流动特性实验研究[J];工程热物理学报;2007年06期

5 张光喜;周为民;张钢锤;南宝江;;固体火箭发动机尾焰流场特性研究[J];固体火箭技术;2008年01期

6 马艳丽;姜毅;郝继光;赵刚练;;固体发动机燃气射流对发射平台冲击效应研究[J];固体火箭技术;2010年04期

7 卓长飞;封锋;武晓松;;火箭燃气射流流场的无网格方法模拟[J];固体火箭技术;2014年01期

8 马艳丽;姜毅;王伟臣;郝继光;赵刚练;;喷水对火箭发动机羽流红外特性的抑制作用研究[J];北京理工大学学报;2011年07期

9 Sumner A.Leadbetter;Werldell B.Stephens;John L.Sewall;Joe W.Majke;Jack R.Barrett;朱仲方;;航天飞机固体火箭助推器1/8缩比动力模型的振动特性[J];国外导弹技术;1980年05期

10 Larry D.Pinson;Sumner A.Leadbetter;于海昌;;航天飞机1/8缩比模型振动研究的某些结果[J];国外导弹技术;1980年06期

本文编号：680922