小推力液氧-甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒特性研究.pdf

1、本文針對(duì)小推力液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真的方法對(duì)其進(jìn)行了研究。重點(diǎn)對(duì)同軸離心式、液液互擊式和氣液互擊式噴注方案進(jìn)行冷試驗(yàn)和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。冷試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果的分析，為無(wú)毒推進(jìn)劑小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考。
　　首先，本文通過(guò)霧化試驗(yàn)對(duì)兩種推力的小推力液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的同軸離心式、液液互擊式和氣液互擊式噴注方案進(jìn)行試驗(yàn)，并詳細(xì)地分析了各種噴注方案的流量特性和霧化特性。對(duì)于同軸離

2、心式噴嘴，隨著空氣流量增加，噴霧場(chǎng)中心粒徑增加而周圍粒徑減少，平均粒徑呈下降趨勢(shì)；同一平面上SMD值變化趨勢(shì)是從中心到兩邊逐漸減??；依靠環(huán)縫氣體對(duì)液膜的剝離作用，氣液比的增加可以改善同軸離心式噴嘴的霧化質(zhì)量；隨著氣態(tài)介質(zhì)噴注壓強(qiáng)的增大，同軸離心式噴嘴的霧化錐角隨之減小。對(duì)于氣液互擊式噴嘴，隨著氣體流量增加，不同平面上的粒徑分布趨勢(shì)不變但測(cè)量值隨距噴注面距離增加而減小。對(duì)于液液互擊式噴嘴，噴霧場(chǎng)液霧分布并不均勻，但粒徑的測(cè)量值分布均勻，隨

3、著液體流量增加，粒徑的測(cè)量值有較快的下降；液滴軸向速度在徑向上先增大后減小，并且隨著氣態(tài)介質(zhì)噴注壓強(qiáng)的增加而增加。液滴速度最大的位置并不是SMD最大的位置，而是介于大液滴和小液滴之間的某個(gè)粒徑適中的液滴所在的位置。
　　其次，利用現(xiàn)有的理論模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真。重點(diǎn)對(duì)液膜冷卻進(jìn)行分析，通過(guò)改變冷卻液膜占推進(jìn)劑總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)了六個(gè)仿真工況，冷卻劑的百分?jǐn)?shù)變化范圍是10％—35%，通過(guò)對(duì)比不同液膜冷卻劑質(zhì)

4、量分?jǐn)?shù)下燃燒室的溫度分布和推力性能，發(fā)現(xiàn)液膜冷卻區(qū)域的壁面溫度明顯比燃燒室中心區(qū)域的溫度低，這主要是由于液膜的蒸發(fā)和對(duì)流換熱的作用效果；隨著冷卻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，燃燒室壁面的溫度隨之下降；出口壓力、出口速度、推力、比沖和燃燒效率也有所下降，但是變化的范圍不是特別大。因而得到了較為合理的冷卻液膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為25%—30%。
　　最后，以冷卻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%作為基準(zhǔn)工況，分別以減小噴注液滴粒徑和改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室特征長(zhǎng)度作為對(duì)比工

5、況，通過(guò)對(duì)比不同液滴粒徑和三種特征長(zhǎng)度的燃燒室對(duì)溫度場(chǎng)、液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑粒徑的減小可以使燃燒室噴注面附近的低溫回流區(qū)范圍增大，使燃燒室后半段的燃燒更為充分。燃燒室特征長(zhǎng)度對(duì)燃燒流場(chǎng)有一定的影響，適當(dāng)?shù)卦黾尤紵姨卣鏖L(zhǎng)度，可以提高燃燒效率；發(fā)動(dòng)機(jī)下游的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，不利于甲烷液膜對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁進(jìn)行冷卻，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁附近的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甲烷組分的減少不利于液膜對(duì)壁面進(jìn)行冷卻，因此，燃燒室不能過(guò)長(zhǎng)，采用0.81