微小噴嘴的設(shè)計加工及推力性能研究.pdf

1、拉伐爾型微小噴嘴（微小型超音速噴嘴）通過使氣流加速獲得超音速氣流，成為微小推進(jìn)器、冶金、激光切割、超音速冷噴涂等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的關(guān)鍵零件。然而微小噴嘴在設(shè)計、性能仿真、制造等方面均面臨著與宏觀尺度噴嘴迥然不同的挑戰(zhàn)。研究微小噴嘴的設(shè)計原則、粗糙度效應(yīng)、尺度效應(yīng)、加工技術(shù)、測試技術(shù)等對于微小噴嘴的應(yīng)用具有重要價值。本文結(jié)合氣體動力學(xué)、計算流體動力學(xué)(CFD)仿真與微細(xì)切削技術(shù)對微小噴嘴的流場分析與制造技術(shù)展開研究，闡述粗糙度對微小噴嘴性

2、能的影響規(guī)律，提出基于氣體摩擦效應(yīng)的噴嘴性能預(yù)測模型，探索提高噴嘴表面質(zhì)量與精度的加工方法，該研究有助于形成微小噴嘴的設(shè)計-制造-性能一體化開發(fā)技術(shù)。
　　首先，通過CFD仿真技術(shù)揭示壁面型線對微小噴嘴性能的影響規(guī)律。分析微小噴嘴擴(kuò)張段長度對噴嘴性能的影響，優(yōu)選確定擴(kuò)張段長度。直線型壁面微小噴嘴具有最小的內(nèi)表面積，可減小氣流與噴嘴的接觸面積，從而具有較小的壁面損失，研究結(jié)果表明喉部直徑1mm噴嘴的收縮段、擴(kuò)張段均可采用直線型壁面。

3、
　　其次，建立微小噴嘴切削加工壁面殘留幾何模型，將不同粗糙度噴嘴的幾何模型集成嵌入微小噴嘴CFD仿真模型，揭示噴嘴不同壁面粗糙度、尺度、入口總壓下的噴嘴流場變化規(guī)律。建立基于摩擦效應(yīng)的微小噴嘴性能預(yù)測模型，對噴嘴速度性能進(jìn)行理論預(yù)測，預(yù)測值與仿真值的偏差小于4％。通過建立噴嘴軸向切削深度、半錐角與速度性能之間的映射關(guān)系模型，為微小噴嘴加工參數(shù)優(yōu)選奠定基礎(chǔ)。
　　然后，通過刀具、夾具、切削參數(shù)、刀具軌跡、加工路線規(guī)劃、壁面毛

4、刺抑制等的優(yōu)選和優(yōu)化，開發(fā)噴嘴微切削加工技術(shù)，保證獲得高加工質(zhì)量微小噴嘴。結(jié)果表明，球頭銑刀加工微小噴嘴的壁面毛刺不可忽略，可通過涂覆PMMA法進(jìn)行抑制;錐形銑刀加工后的微小噴嘴壁面無毛刺，且可采取較大軸向切削深度。
　　最后，研制搭建了牛頓級微小噴嘴推力測試平臺，對不同加工參數(shù)、不同刀具軌跡加工的微小噴嘴性能進(jìn)行了測試評價。測試結(jié)果表明微小噴嘴的粗糙度效應(yīng)導(dǎo)致噴嘴推力性能下降，粗糙度對推力性能的影響隨著入口總壓的增加越來越明顯。