發(fā)布時(shí)間：2017-08-02 04:10

  本文關(guān)鍵詞：HAN基液體推進(jìn)劑噴霧及電點(diǎn)火特性的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

  更多相關(guān)文章： 液體推進(jìn)劑 雙股自擊式噴嘴 空氣霧化噴嘴 霧化性能 電點(diǎn)火 LP1846數(shù)值模擬

【摘要】：目前,世界各航天大國正在競相開發(fā)比沖高、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)保性好、成本低廉的微小推力液體火箭發(fā)動機(jī)。本文以此為工程背景,開展綠色高能HAN基單元液體推進(jìn)劑在小尺度空間噴霧及電點(diǎn)火特性研究。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)采用三維相位多普勒粒子動態(tài)測試儀(PDA),針對HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì),分別測量了大氣環(huán)境下和模擬燃燒室內(nèi)雙股自擊式噴嘴的噴霧場特性參數(shù)。結(jié)果表明:噴射壓力越大,液滴平均直徑D32越小,霧化效果越好;在近噴嘴端液滴直徑脈動較大,隨著向下游擴(kuò)展,脈動逐漸減小;噴霧場中液滴軸向速度在周向上呈雙峰分布,α=90°和270°分別為兩個(gè)峰值點(diǎn);液滴軸向速度隨著測量點(diǎn)與中心軸距離的增大而減小;距離噴嘴越遠(yuǎn),液滴軸向速度和徑向速度越小;噴射壓力越大,液滴軸向速度和徑向速度越大;模擬燃燒室內(nèi),液滴平均直徑D32大于同條件下的大氣環(huán)境,且D32的正態(tài)分布特征明顯,兩者液滴軸向速度較為接近,但模擬燃燒室對液滴徑向速度影響較大。(2)設(shè)計(jì)了一種反向雙旋流空氣霧化噴嘴,運(yùn)用PDA系統(tǒng)對該噴嘴在大氣環(huán)境和模擬燃燒室內(nèi)霧化參數(shù)的分布特性進(jìn)行了測量。結(jié)果表明:隨著距噴嘴軸向距離的增大,液滴平均直徑D32呈現(xiàn)波動變化的趨勢,液滴平均直徑D32分布逐漸趨于均勻;在徑向上液滴平均直徑D32大致按照與中心軸的距離遠(yuǎn)近由大到小分布,距離中心軸越遠(yuǎn),液滴D32越大;模擬燃燒室內(nèi),液滴平均直徑D32周向分布波動較大,當(dāng)液體噴射壓力保持不變,增大氣體噴射壓力,液滴平均直徑變小,液滴軸向速度變大;當(dāng)氣體噴射壓力保持不變,提高液體噴射壓力,液滴平均直徑增大,但液滴軸向速度變化較小。(3)在雙股自擊式噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立了二維非穩(wěn)態(tài)噴霧模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:兩股射流撞擊后,呈現(xiàn)出以撞擊點(diǎn)為頂點(diǎn)的霧化錐角,霧化場呈錐形發(fā)展,并且在邊緣處存在大量的離散液滴;受到壁面的限制,模擬燃燒室內(nèi)霧化場邊緣處的離散液滴數(shù)多于大氣環(huán)境;噴射壓力越大,液滴平均直徑D32越小,液滴軸向速度越大;隨著撞擊角度增大,霧化液滴直徑D32和軸向速度均呈現(xiàn)減小的趨勢;液體工質(zhì)的粘度越大,霧化液滴直徑D32越大,軸向速度越小。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,最大誤差為8.19%。(4)在反向雙旋流空氣霧化噴嘴噴霧實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立三維非穩(wěn)態(tài)霧化模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:在大氣環(huán)境中,霧化場大致呈錐形發(fā)展,受環(huán)境氣體影響流場狀態(tài)較為復(fù)雜,出現(xiàn)了多個(gè)渦旋同時(shí)存在的情況;在模擬燃燒室內(nèi),噴霧的外觀輪廓最初為"錐形",與燃燒室壁面撞擊后轉(zhuǎn)變?yōu)?梭形",模擬燃燒室內(nèi)的流場對稱性較好,體現(xiàn)了壁面對于流場均勻性的提升效果。在模擬燃燒室內(nèi),當(dāng)液體噴射壓力保持0.2MPa,提高氣體噴射壓力,液滴平均直徑D32變小,液滴軸向速度變大;當(dāng)氣體噴射壓力大于0.45MPa后,進(jìn)一步增大氣體噴射壓力,液滴平均直徑D32變化較小;當(dāng)氣體噴射壓力保持0.35MPa,提高液體噴射壓力,液滴平均直徑D32和軸向速度都隨之變大,其中D32變化幅度較大,而液滴軸向速度變化幅度較小;液體模擬工質(zhì)粘度越大,液滴平均直徑D32越大,液滴軸向速度越小。(5)設(shè)計(jì)了單滴電點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺,研究了 HAN基液體推進(jìn)劑LP1846液滴在常壓下的電點(diǎn)火特性。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立液滴二維非穩(wěn)態(tài)電點(diǎn)火模型。結(jié)果表明:液滴在線性的加載電壓作用下,首先經(jīng)歷受熱、蒸發(fā)和熱分解過程,然后才會著火燃燒;在點(diǎn)火過程中,流經(jīng)液滴的電流呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,加載電壓越大,電流峰值越大,峰值出現(xiàn)時(shí)間也越早;根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率與溫度分布變化特點(diǎn),可以將點(diǎn)火過程分為預(yù)熱、熱分解及燃燒三個(gè)特征段,相應(yīng)階段LP1846單滴由球形變?yōu)閭阈沃敝料耐戤?液滴的著火延遲期隨著最大加載電壓數(shù)值的增大而減小。(6)設(shè)計(jì)了環(huán)形序列脈沖電點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置,開展了大氣環(huán)境下LP1846液霧電點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立了三維非穩(wěn)態(tài)噴霧、電點(diǎn)火及燃燒推進(jìn)模型,并進(jìn)行了相應(yīng)數(shù)值模擬。針對模擬推力室,采用環(huán)形序列脈沖電點(diǎn)火裝置,對其工作過程進(jìn)行數(shù)值預(yù)測。結(jié)果表明:模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。環(huán)形序列脈沖電點(diǎn)火裝置可以較好地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火,有利于提高LP1846液霧點(diǎn)火可靠性;序列脈沖放電火花點(diǎn)燃液霧后,多點(diǎn)分離的火焰會逐漸合攏成一體,火焰整體呈空心錐結(jié)構(gòu);提升電極轉(zhuǎn)速,點(diǎn)火區(qū)域的面積增大;提升放電電壓會使放電火花的大小和溫度增加,單位時(shí)間內(nèi)火焰數(shù)顯著增多,有利于點(diǎn)燃液滴群;針對模擬推力室,放電電壓或電極轉(zhuǎn)速越大,啟動階段的推力峰值越大,并且出現(xiàn)時(shí)間越早,啟動階段所需的時(shí)間也越短;氣體噴射壓力提高,推力峰值提升,啟動時(shí)間縮短;液體噴射壓力增加,啟動階段與正常工作階段的推力曲線整體上升。
【關(guān)鍵詞】：液體推進(jìn)劑 雙股自擊式噴嘴 空氣霧化噴嘴 霧化性能 電點(diǎn)火 LP1846數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V511
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 1 緒論19-30
• 1.1 研究背景及意義19-20
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-29
• 1.2.1 液體推進(jìn)劑發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)分析20-22
• 1.2.2 火箭發(fā)動機(jī)的電點(diǎn)火研究概況22-24
• 1.2.3 火箭發(fā)動機(jī)噴霧燃燒研究概況24-29
• 1.3 本文主要工作29-30
• 2 雙股自擊式噴嘴霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究30-55
• 2.1 引言30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測試方法30-34
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)30-31
• 2.2.2 測試方法31-33
• 2.2.3 噴霧場空間測點(diǎn)的設(shè)定33-34
• 2.3 雙股自擊式噴嘴在大氣環(huán)境下的霧化特性34-43
• 2.3.1 液滴平均直徑表示方式34-35
• 2.3.2 霧化場液滴平均直徑的空間分布35-38
• 2.3.3 液滴軸向速度的空間分布38-40
• 2.3.4 液滴徑向速度的空間分布40-43
• 2.4 雙股自擊式噴嘴在模擬燃燒室內(nèi)的霧化特性43-52
• 2.4.1 霧化場液滴平均直徑的空間分布43-46
• 2.4.2 液滴軸向速度的空間分布46-49
• 2.4.3 液滴徑向速度的空間分布49-52
• 2.5 模擬燃燒室與大氣環(huán)境中噴霧特性的比較52-54
• 2.6 本章小結(jié)54-55
• 3 反向雙旋流空氣霧化噴嘴霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究55-72
• 3.1 引言55
• 3.2 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)55-56
• 3.2.1 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)55-56
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)56
• 3.3 反向雙旋流空氣霧化噴嘴在大氣環(huán)境下的霧化特性56-63
• 3.3.1 霧化場液滴平均直徑的空間分布56-60
• 3.3.2 液滴軸向速度的空間分布60-63
• 3.4 反向雙旋流空氣霧化噴嘴在模擬燃燒室內(nèi)的霧化特性63-70
• 3.4.1 噴霧場液滴平均直徑的空間分布64-67
• 3.4.2 液滴軸向速度的空間分布67-70
• 3.5 模擬燃燒室與大氣環(huán)境中霧化特性的比較70-71
• 3.6 本章小結(jié)71-72
• 4 雙股自擊式噴嘴霧化特性的數(shù)值模擬72-83
• 4.1 引言72
• 4.2 雙股自擊式噴嘴霧化的理論模型72-75
• 4.2.1 物理模型72
• 4.2.2 數(shù)學(xué)模型72-74
• 4.2.3 初邊界條件74-75
• 4.2.4 幾何模型與網(wǎng)格劃分75
• 4.3 大氣環(huán)境中的數(shù)值模擬結(jié)果75-78
• 4.3.1 大氣環(huán)境中的霧化場特性75-77
• 4.3.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比77-78
• 4.4 模擬燃燒室內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果78-80
• 4.4.1 模擬燃燒室內(nèi)的霧化場特性78-79
• 4.4.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比79-80
• 4.5 多參數(shù)變化對霧化性能的影響80-82
• 4.5.1 噴射壓力80
• 4.5.2 撞擊角度80-81
• 4.5.3 液體工質(zhì)粘度81-82
• 4.6 本章小結(jié)82-83
• 5 反向雙旋流空氣霧化噴嘴霧化特性的數(shù)值模擬83-94
• 5.1 引言83
• 5.2 計(jì)算模型83-86
• 5.2.1 物理模型83
• 5.2.2 數(shù)學(xué)模型83-85
• 5.2.3 初邊界條件85
• 5.2.4 幾何模型與網(wǎng)格劃分85-86
• 5.3 大氣環(huán)境中的數(shù)值模擬結(jié)果86-89
• 5.3.1 大氣環(huán)境中的霧化場特性86-88
• 5.3.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比88-89
• 5.4 模擬燃燒室內(nèi)的模擬結(jié)果89-91
• 5.4.1 模擬燃燒室內(nèi)的霧化場特性89-90
• 5.4.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比90-91
• 5.5 多參數(shù)變化對霧化性能的影響91-93
• 5.5.1 氣體噴射壓力91-92
• 5.5.2 液體噴射壓力92
• 5.5.3 液體工質(zhì)粘度92-93
• 5.6 本章小結(jié)93-94
• 6 HAN液體推進(jìn)劑單滴電點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬94-109
• 6.1 引言94
• 6.2 單滴電點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置94-95
• 6.3 LP1846單滴電點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)結(jié)果95-99
• 6.3.1 LP1846單滴電點(diǎn)火過程特性分析95-98
• 6.3.2 加載電壓對LP1846單滴著火延遲期的影響98-99
• 6.4 LP1846單滴電點(diǎn)火模型99-102
• 6.4.1 物理模型100
• 6.4.2 數(shù)學(xué)模型100-101
• 6.4.3 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分101-102
• 6.5 LP1846單滴電點(diǎn)火過程的模擬結(jié)果與分析102-108
• 6.5.1 點(diǎn)火過程特征階段102-106
• 6.5.2 液相體積分?jǐn)?shù)變化106-107
• 6.5.3 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化107
• 6.5.4 液滴著火延遲期107-108
• 6.6 本章小結(jié)108-109
• 7 環(huán)形序列脈沖電點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬109-137
• 7.1 引言109
• 7.2 環(huán)形序列脈沖電點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置109-111
• 7.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成及特點(diǎn)109-111
• 7.2.2 實(shí)驗(yàn)方法111
• 7.3 環(huán)形序列脈沖電火花的空間分布特性111-113
• 7.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論113-117
• 7.4.1 電極轉(zhuǎn)速對點(diǎn)火特性的影響113-115
• 7.4.2 放電電壓對點(diǎn)火特性的影響115-117
• 7.5 環(huán)形序列脈沖電點(diǎn)火模型117-121
• 7.5.1 物理模型117-118
• 7.5.2 數(shù)學(xué)模型118-121
• 7.6 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定性比較121-122
• 7.7 LP1846液霧環(huán)形序列脈沖電點(diǎn)火特性的數(shù)值模擬122-129
• 7.7.1 噴霧場溫度分布特性122-124
• 7.7.2 電極轉(zhuǎn)速對于點(diǎn)火特性的影響124-127
• 7.7.3 放電電壓對于點(diǎn)火特性的影響127-129
• 7.8 模擬推力室中LP1846噴霧及電點(diǎn)火過程的數(shù)值模擬129-135
• 7.8.1 計(jì)算模型129-130
• 7.8.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分130-131
• 7.8.3 模擬結(jié)果與分析131-135
• 7.9 本章小結(jié)135-137
• 8 結(jié)論與展望137-141
• 8.1 主要結(jié)論137-140
• 8.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)140
• 8.3 工作展望140-141
• 致謝141-142
• 參考文獻(xiàn)142-152
• 附錄152

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1 劉q;HAN基液體推進(jìn)劑噴霧及電點(diǎn)火特性的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D];南京理工大學(xué);2016年

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本文編號：607547