發(fā)布時(shí)間：2017-08-10 14:26

  本文關(guān)鍵詞：空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)高效燃燒室仿真與試驗(yàn)研究

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【摘要】：隨著新一代大容量長(zhǎng)壽命衛(wèi)星和空間機(jī)動(dòng)飛行器的發(fā)展,航天器對(duì)空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了更高要求。軌控發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高主要涉及噴注器、燃燒室和噴管三個(gè)組件。對(duì)于高性能液體軌控發(fā)動(dòng)機(jī),邊區(qū)冷卻液膜在燃燒室中的低效燃燒已成為導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能損失的主要影響因素,提高邊區(qū)冷卻液膜利用率會(huì)導(dǎo)致燃燒室溫度的升高,而燃燒室溫度的上升對(duì)耐高溫材料提出了更高的要求,因此涉及邊區(qū)冷卻液膜熱過(guò)程和新型高溫材料兩方面的高效燃燒室技術(shù)已成為高性能空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高的瓶頸技術(shù)。燃燒室邊區(qū)冷卻液膜的處理、結(jié)構(gòu)造型的設(shè)計(jì)以及耐高溫材料的研發(fā)是高效燃燒室的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。其中液膜冷卻設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在保證燃燒室工作溫度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的同時(shí),也適應(yīng)高溫材料的使用要求;燃燒室構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是強(qiáng)化冷卻液膜參與反應(yīng)的程度,將冷卻液膜低效燃燒導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)性能損失降至最低;耐高溫材料決定了燃燒室可靠工作的溫度水平,也是液膜冷卻設(shè)計(jì)和燃燒室構(gòu)型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),其研究目標(biāo)是在更高溫度條件下長(zhǎng)時(shí)間保持高強(qiáng)度、抗氧化、耐沖刷的性能。本文共分為七章,圍繞高效燃燒室研制的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析展開(kāi)高效燃燒室的液膜冷卻研究、構(gòu)型設(shè)計(jì)和耐高溫材料研究。簡(jiǎn)述如下:針對(duì)高效燃燒室液膜冷卻過(guò)程,開(kāi)展了自由射流撞壁的液膜現(xiàn)象仿真和試驗(yàn)研究,分析了射流噴嘴壓降、噴嘴孔徑、射流入射角、壁面曲率半徑和溫度對(duì)液膜流動(dòng)及厚度分布特性的影響,并對(duì)射流撞壁形成液膜過(guò)程中的液滴濺射現(xiàn)象、水躍現(xiàn)象和沸騰傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了仿真模擬和理論分析。采用相同的計(jì)算模型和邊界條件,對(duì)直圓柱燃燒室、擴(kuò)張型燃燒室和二次燃燒裝置燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展液膜冷卻和推進(jìn)劑噴霧燃燒仿真,計(jì)算結(jié)果表明增加燃燒室特征長(zhǎng)度能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率,但同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度也顯著提高。對(duì)于高性能空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采取合適的燃燒室特征長(zhǎng)度,同時(shí)結(jié)合多種角度冷卻射流設(shè)計(jì),能夠在提升性能的同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)最高工作溫度。擴(kuò)張型結(jié)構(gòu)不能顯著增強(qiáng)燃?xì)饣旌?導(dǎo)致擴(kuò)張型設(shè)計(jì)與基準(zhǔn)構(gòu)型設(shè)計(jì)相比,提高燃燒效率的效果不明顯。二次燃燒裝置將液膜卷入主流使其充分蒸發(fā)、混合并參與燃燒,得到了較高的燃燒效率,與此同時(shí)會(huì)較大幅度地提高擾流環(huán)本身與燃燒室壁面的溫度,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間可靠工作不利。在燃燒室材料使用溫度受限的條件下,則直圓柱構(gòu)型燃燒室綜合性能較優(yōu)。在燃燒室構(gòu)型仿真分析的基礎(chǔ)上,對(duì)空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),開(kāi)展不同構(gòu)型燃燒室的熱試車驗(yàn)證,結(jié)果表明:增加直圓柱構(gòu)型燃燒室的特征長(zhǎng)度,優(yōu)化邊區(qū)冷卻設(shè)計(jì),發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高的同時(shí)身部溫度升高與新型材料耐受溫度可以有效折衷解決;采用突擴(kuò)燃燒室構(gòu)型方案和二次燃燒裝置構(gòu)型燃燒室方案能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率,但同時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)身部溫度偏高,國(guó)內(nèi)耐高溫材料使用性能的穩(wěn)定性無(wú)法滿足工程要求,該方案目前難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。熱試車結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致,說(shuō)明仿真計(jì)算中采用VOF模型對(duì)液膜進(jìn)行仿真是有效的。針對(duì)高效燃燒室的需求,以CVD錸/銥材料、鉭鎢合金和涂層材料、C/SiC復(fù)合材料作為高效燃燒室用耐高溫材料的研究方向,并分別完成了燃燒室制備研究和熱試車驗(yàn)證,結(jié)果表明CVD錸/銥材料和C/SiC復(fù)合材料工程應(yīng)用還需繼續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)壽命研究,其中錸/銥材料還需解決低溫端銥涂層保護(hù)等問(wèn)題,C/SiC復(fù)合材料需從復(fù)合材料基體改性和高溫抗氧化涂層等方面開(kāi)展攻關(guān)研究,以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的高溫長(zhǎng)時(shí)間工作能力。鉭鎢涂層通過(guò)了3600s長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)熱試車考核驗(yàn)證,可用作高效燃燒室的材料,后續(xù)還需在提高涂層的熱震性能方面開(kāi)展深入研究,提高空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用的可靠性。在燃燒室構(gòu)型仿真、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化研究和耐高溫材料研究基礎(chǔ)上,總結(jié)了高效燃燒室的設(shè)計(jì)方法,確定了高效燃燒室技術(shù)方案,完成高性能空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)集成設(shè)計(jì)。燃燒室采用合適特征長(zhǎng)度的直圓柱方案,結(jié)合兩種角度的邊區(qū)冷卻液膜設(shè)計(jì),發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬熱試車燃燒室最高溫度控制在1870K左右,真空比沖達(dá)到了323.6s,順利通過(guò)長(zhǎng)程熱試車考核,高效燃燒室技術(shù)成功得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī) 高效燃燒室 液膜冷卻 燃燒室構(gòu)型 耐高溫材料
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V430
【目錄】：

• 摘要14-16
• ABSTRACT16-18
• 第一章 緒論18-38
• 1.1 高效燃燒室的研究背景18-23
• 1.1.1 衛(wèi)星對(duì)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求18-19
• 1.1.2 空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展19-21
• 1.1.3 高效燃燒室研究的目的和意義21-23
• 1.2 高效燃燒室的研究現(xiàn)狀23-35
• 1.2.1 高效燃燒室實(shí)現(xiàn)途徑23-24
• 1.2.2 高效燃燒室液膜冷卻過(guò)程研究24-26
• 1.2.3 高效燃燒室構(gòu)型研究26-29
• 1.2.4 高效燃燒室材料研究29-30
• 1.2.5 難熔金屬材料體系研究30-32
• 1.2.6 高性能陶瓷材料體系32-35
• 1.3 本文的主要思想和研究?jī)?nèi)容35-38
• 1.3.1 本文的主要思想35-36
• 1.3.2 本文的研究?jī)?nèi)容36-38
• 第二章 高效燃燒室液膜冷卻過(guò)程研究38-79
• 2.1 空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)液膜冷卻過(guò)程38-40
• 2.2 冷卻液膜的試驗(yàn)研究方法40-45
• 2.2.1 液膜測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)40-43
• 2.2.2 液膜厚度計(jì)算方法43-45
• 2.2.3 試驗(yàn)工況45
• 2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析45-58
• 2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況45-47
• 2.3.2 射流入射角對(duì)液膜的影響47-49
• 2.3.3 噴嘴壓降對(duì)液膜的影響49-50
• 2.3.4 噴嘴孔徑對(duì)液膜的影響50-52
• 2.3.5 壁面曲率半徑對(duì)液膜的影響52-54
• 2.3.6 壁面溫度對(duì)液膜形態(tài)的影響54-58
• 2.4 冷卻液膜的理論分析58-77
• 2.4.1 冷卻液膜濺射形態(tài)研究58-61
• 2.4.2 冷卻液膜水躍的簡(jiǎn)化分析61-68
• 2.4.3 冷卻液膜的傳熱分析68-71
• 2.4.4 射流液膜的仿真分析71-77
• 2.5 小結(jié)77-79
• 第三章 燃燒室構(gòu)型優(yōu)化仿真研究79-126
• 3.1 噴霧燃燒計(jì)算方法79-89
• 3.1.1 基于Euler-Lagrange法的離散相模型80-85
• 3.1.2 基于Euler-Euler法的VOF模型85-87
• 3.1.3 物性參數(shù)87-89
• 3.2 仿真計(jì)算對(duì)象和邊界條件89-95
• 3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的幾何構(gòu)型89-90
• 3.2.2 計(jì)算模型和工況90-94
• 3.2.3 邊界條件94-95
• 3.3 特征長(zhǎng)度對(duì)燃燒室性能的影響95-102
• 3.3.1 基準(zhǔn)型燃燒室網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證與仿真計(jì)算結(jié)果95-98
• 3.3.2 特征長(zhǎng)度對(duì)溫度場(chǎng)的影響98-99
• 3.3.3 特征長(zhǎng)度對(duì)液相體積分?jǐn)?shù)的影響99-100
• 3.3.4 特征長(zhǎng)度對(duì)MMH濃度場(chǎng)分布的影響100-101
• 3.3.5 特征長(zhǎng)度對(duì)壁面溫度的影響101-102
• 3.3.6 特征長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的影響102
• 3.4 突擴(kuò)構(gòu)型對(duì)燃燒室性能的影響102-113
• 3.4.1 擴(kuò)張臺(tái)階高度H的影響102-108
• 3.4.2 擴(kuò)張臺(tái)階長(zhǎng)度L的影響108-113
• 3.5 二次燃燒裝置構(gòu)型對(duì)燃燒室性能的影響113-123
• 3.5.1 二次燃燒裝置高度H的影響113-118
• 3.5.2 二次燃燒裝置長(zhǎng)度L的影響118-123
• 3.6 燃燒室構(gòu)型影響對(duì)比分析123-124
• 3.7 小結(jié)124-126
• 第四章 不同構(gòu)型燃燒室燃燒性能的試驗(yàn)研究126-139
• 4.1 試驗(yàn)方案126-127
• 4.2 直圓柱燃燒室試驗(yàn)研究127-132
• 4.2.1 直圓柱燃燒室熱試方案127
• 4.2.2 直圓柱燃燒室方案試驗(yàn)127-132
• 4.3 突擴(kuò)燃燒室試驗(yàn)研究132-134
• 4.3.1 突擴(kuò)燃燒室方案設(shè)計(jì)132-133
• 4.3.2 突擴(kuò)燃燒室方案試驗(yàn)133-134
• 4.4 二次燃燒裝置燃燒室試驗(yàn)研究134-138
• 4.4.1 二次燃燒裝置方案設(shè)計(jì)134-135
• 4.4.2 二次燃燒裝置方案試驗(yàn)135-138
• 4.5 小結(jié)138-139
• 第五章 高效燃燒室材料應(yīng)用研究139-150
• 5.1 高效燃燒室材料的需求和評(píng)價(jià)方法139-141
• 5.1.1 高效燃燒室材料的需求139-140
• 5.1.2 高效燃燒室材料的評(píng)價(jià)方法140-141
• 5.2 高效燃燒室噴管的連接和熱試車考核141-149
• 5.2.1 錸/銥材料噴管的連接和考核141-146
• 5.2.2 鉭十鎢合金噴管的連接和考核146-147
• 5.2.3 復(fù)合材料噴管的連接和考核147-149
• 5.3 小結(jié)149-150
• 第六章 高效燃燒室設(shè)計(jì)方法研究和驗(yàn)證150-170
• 6.1 高效燃燒室的設(shè)計(jì)方法研究150-159
• 6.1.1 燃燒室材料選擇150-153
• 6.1.2 燃燒室冷卻液膜設(shè)計(jì)153-156
• 6.1.3 燃燒室構(gòu)型設(shè)計(jì)156-158
• 6.1.4 高效燃燒室的設(shè)計(jì)結(jié)果158-159
• 6.2 高效燃燒室試驗(yàn)驗(yàn)證159-168
• 6.2.1 高空模擬熱試車系統(tǒng)159-160
• 6.2.2 高效燃燒室應(yīng)用考核160-167
• 6.2.3 有效性驗(yàn)證分析167-168
• 6.3 小結(jié)168-170
• 結(jié)束語(yǔ)170-173
• 致謝173-174
• 參考文獻(xiàn)174-186
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果186

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 閆聯(lián)生;李賀軍;崔紅;張曉虎;;超高溫抗氧化復(fù)合材料研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2004年12期

2 張立同 ,成來(lái)飛 ,徐永東;新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J];航空制造技術(shù);2003年01期

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本文編號(hào)：651205