火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰注水降溫?cái)?shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究
發(fā)布時(shí)間：2017-08-16 02:07
本文關(guān)鍵詞：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰注水降溫?cái)?shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究
更多相關(guān)文章： 燃?xì)馍淞?/b> 注水 汽化效應(yīng) 兩相流 縮比試驗(yàn) 導(dǎo)流槽
【摘要】：隨著我國(guó)大運(yùn)載火箭的研制與應(yīng)用，對(duì)地面導(dǎo)流設(shè)備設(shè)計(jì)有效的熱防護(hù)方案是保證發(fā)射成功的關(guān)鍵因素之一。采用向燃?xì)饬髯⑺绞綄?shí)現(xiàn)降溫目的是最直接有效的方案，并且在國(guó)外航天發(fā)射場(chǎng)中得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。采用注水降溫方案，關(guān)鍵是對(duì)注水方式和注水參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)途徑首先需要對(duì)注水降溫的機(jī)理有清晰的認(rèn)識(shí)。本文以大推力運(yùn)載火箭發(fā)射為背景，通過建立縮比模型，利用數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究對(duì)液態(tài)水與燃?xì)馍淞鞯南嗷プ饔眠^程和降溫效果進(jìn)行了深入研究，主要工作包括以下幾個(gè)方面： 1、通過對(duì)液態(tài)水汽化機(jī)理的研究，編制了液態(tài)水汽化吸熱程序，在Mixture多相流模型基礎(chǔ)上，建立了多組分氣液兩相流非定常計(jì)算模型，得到了三維流場(chǎng)分布結(jié)果。并通過試驗(yàn)方法對(duì)自由射流和注水燃?xì)饬鲌?chǎng)進(jìn)行了研究，將測(cè)試結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以得到：所建立的模型具有較高的計(jì)算精度和可靠性，能夠準(zhǔn)確地對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值研究。在上述計(jì)算模型的基礎(chǔ)上基于有限速率化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)燃?xì)饬鲌?chǎng)的復(fù)燃現(xiàn)象進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：對(duì)于自由射流考慮復(fù)燃，，流場(chǎng)邊緣溫度有明顯升高，但對(duì)于注水燃?xì)饬鲌?chǎng)，由于生成的大量水蒸氣包裹住燃?xì)饬�，在一定程度上隔絕了燃?xì)饬髋c外界空氣的接觸，復(fù)燃對(duì)流場(chǎng)仿真結(jié)果的影響較小。 2、通過研究注水總量不變的雙注水管條件下，水流流速對(duì)燃?xì)饬鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)和降溫效果的影響，得出水流的沖擊會(huì)導(dǎo)致燃?xì)庵髁鞒霈F(xiàn)壓縮變形和分叉兩種流動(dòng)現(xiàn)象，在未達(dá)到分叉效果之前，燃?xì)庵髁鬏S線溫度隨著注水總動(dòng)量的增加不斷下降，兩者之間呈指數(shù)關(guān)系變化；在主流分叉的臨界狀態(tài)下，降溫效果最佳。在主流出現(xiàn)分叉流動(dòng)后，通過同時(shí)調(diào)節(jié)注水總量和水流流速，進(jìn)一步研究了注水與流場(chǎng)降溫之間的規(guī)律，得到了燃?xì)庵髁麟S注水參數(shù)的增大會(huì)出現(xiàn)二次分叉現(xiàn)象，降溫效果也有一定程度的改變。 3、通過研究在單噴水管注水參數(shù)不變和注水總量不變兩種條件下，噴水管數(shù)量與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和降溫效果之間的變化規(guī)律，結(jié)果表明：在單噴管注水參數(shù)不變的條件下，改變噴水管數(shù)量，主流軸線溫度變化與注水動(dòng)量之間也具有指數(shù)變化關(guān)系，但遞變規(guī)律發(fā)生了明顯變化，軸線溫度隨注水水總動(dòng)量的增加呈上升趨勢(shì)；采用較小注水總量并保持不變的條件下改變噴水管數(shù)量，對(duì)燃?xì)庵髁鹘Y(jié)構(gòu)和降溫效果沒有產(chǎn)生明顯變化。 4、研究了對(duì)燃?xì)庵髁鹘Y(jié)構(gòu)改變較小的四噴管注水降溫效果，在此基礎(chǔ)上針對(duì)流速和流量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：保持噴水管出口截面積不變的前提下，注水降溫效果有所不同，采用較小注水量實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)饬鞅韺拥慕禍�，在大流量注水工況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夂诵膮^(qū)和表層的同時(shí)降溫，并且降溫效果受注水參數(shù)的影響較大，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在滿足降溫要求的同時(shí)減小注水總量。 5、針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，通過數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)方法對(duì)加裝導(dǎo)流槽后的注水降溫效果進(jìn)行了研究，并對(duì)導(dǎo)流槽的排導(dǎo)通暢性進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用動(dòng)態(tài)分層法更新流場(chǎng)網(wǎng)格，以模擬火箭起飛階段注水降溫變化過程，結(jié)果表明：采用注水方式對(duì)燃?xì)饬鲌?chǎng)降溫使導(dǎo)流槽表面受到的高溫?zé)g作用明顯降低，在沖擊中心溫度值由未采用注水降溫方案的900K下降到500K，導(dǎo)流槽內(nèi)氣流整體溫度也明顯下降，在導(dǎo)流槽出口溫度由600K降低到400K，并在火箭起飛階段基本保持不變。但由于大量液態(tài)水汽化引起流入導(dǎo)流槽內(nèi)氣體總量增加，降低了導(dǎo)流槽的排導(dǎo)通暢性。
【關(guān)鍵詞】：燃?xì)馍淞?/strong> 注水 汽化效應(yīng) 兩相流 縮比試驗(yàn) 導(dǎo)流槽
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V430;V433.9
【目錄】：
- 摘要4-6
- Abstract6-12
- 第1章 緒論12-29
- 1.1 論文研究的目的和意義12-14
- 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)14-26
- 1.2.1 燃?xì)馍淞鲾?shù)值模擬14-17
- 1.2.2 氣液多相流研究概況17-19
- 1.2.3 氣液傳熱與傳質(zhì)研究進(jìn)展19-21
- 1.2.4 縮比試驗(yàn)研究概況21-23
- 1.2.5 注水降溫國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀23-26
- 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容26-27
- 1.4 論文章節(jié)安排27-29
- 第2章 注水燃?xì)饬鲌?chǎng)數(shù)學(xué)模型研究29-45
- 2.1 引言29
- 2.2 物理模型29-35
- 2.2.1 燃?xì)饬鲌?chǎng)熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型29-31
- 2.2.2 液態(tài)水汽化模型31-33
- 2.2.3 化學(xué)反應(yīng)模型33-35
- 2.3 數(shù)值計(jì)算模型35-42
- 2.3.1 控制方程35-37
- 2.3.2 多組分氣體的熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)37-39
- 2.3.3 Mixture多相流模型39-42
- 2.3.4 液態(tài)水汽化計(jì)算模型42
- 2.4 計(jì)算方法42-43
- 2.4.1 流場(chǎng)計(jì)算方法42-43
- 2.5 本章小結(jié)43-45
- 第3章 燃?xì)饬髯⑺禍財(cái)?shù)值分析與試驗(yàn)研究45-78
- 3.1 自由射流流場(chǎng)計(jì)算與試驗(yàn)研究46-60
- 3.1.1 物理模型46-48
- 3.1.2 自由射流數(shù)值計(jì)算研究48-52
- 3.1.3 自由射流試驗(yàn)研究52-55
- 3.1.4 燃?xì)庾杂缮淞髁鲌?chǎng)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證55-60
- 3.1.5 本節(jié)小結(jié)60
- 3.2 注水燃?xì)饬鲾?shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究60-76
- 3.2.1 注水參數(shù)及模型61-62
- 3.2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析62-74
- 3.2.3 復(fù)燃現(xiàn)象對(duì)仿真流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響74-76
- 3.2.4 小結(jié)76
- 3.3 本章小結(jié)76-78
- 第4章 注水降溫影響因素研究78-125
- 4.1 水流流速因素影響分析79-103
- 4.1.1 工況1計(jì)算結(jié)果分析79-84
- 4.1.2 工況2計(jì)算結(jié)果分析84-88
- 4.1.3 工況3計(jì)算結(jié)果分析88-91
- 4.1.4 工況4計(jì)算結(jié)果分析91-94
- 4.1.5 工況5計(jì)算結(jié)果分析94-97
- 4.1.6 流場(chǎng)降溫效果分析97-99
- 4.1.7 小結(jié)99-103
- 4.2 注水流速與流量雙因素影響分析103-124
- 4.2.1 工況1計(jì)算結(jié)果分析103-106
- 4.2.2 工況2計(jì)算結(jié)果分析106-109
- 4.2.3 工況3計(jì)算結(jié)果分析109-113
- 4.2.4 工況4計(jì)算結(jié)果分析113-114
- 4.2.5 工況5計(jì)算結(jié)果分析114-115
- 4.2.6 工況6計(jì)算結(jié)果分析115-118
- 4.2.7 各工況降溫效果分析118-123
- 4.2.8 小結(jié)123-124
- 4.3 本章小結(jié)124-125
- 第5章 注水管數(shù)量影響及注水參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)125-151
- 5.1 水管數(shù)量因素影響分析125-138
- 5.1.1 工況1計(jì)算結(jié)果分析125-127
- 5.1.2 工況2計(jì)算結(jié)果分析127-130
- 5.1.3 工況3計(jì)算結(jié)果分析130-131
- 5.1.4 工況4計(jì)算結(jié)果分析131-132
- 5.1.5 工況5計(jì)算結(jié)果分析132-133
- 5.1.6 各工況降溫效果分析133-136
- 5.1.7 小結(jié)136-138
- 5.2 四噴管注水參數(shù)優(yōu)化分析138-146
- 5.2.1 工況2計(jì)算結(jié)果分析139-140
- 5.2.2 工況3計(jì)算結(jié)果分析140-141
- 5.2.3 工況5計(jì)算結(jié)果分析141-142
- 5.2.4 各工況降溫效果分析142-145
- 5.2.5 小結(jié)145-146
- 5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證146-150
- 5.3.1 普通攝影結(jié)果分析146-147
- 5.3.2 高速攝影結(jié)果分析147-148
- 5.3.3 高速攝影結(jié)果分析148-149
- 5.3.4 熱點(diǎn)偶測(cè)試結(jié)果分析149-150
- 5.4 本章小結(jié)150-151
- 第6章 導(dǎo)流設(shè)備通暢性數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究151-163
- 6.1 自由射流數(shù)值計(jì)算研究151-154
- 6.1.1 數(shù)值計(jì)算模型151-152
- 6.1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析152-154
- 6.2 自由射流試驗(yàn)研究154-156
- 6.3 注水降溫導(dǎo)流計(jì)算研究156-157
- 6.4 注水燃?xì)饬鲌?chǎng)導(dǎo)流試驗(yàn)研究157-159
- 6.5 注水燃?xì)饬鲌?chǎng)動(dòng)態(tài)計(jì)算159-161
- 6.5.1 計(jì)算結(jié)果說明159-161
- 6.6 本章總結(jié)161-163
- 第7章 結(jié)論與展望163-168
- 7.1 本文研究總結(jié)163-164
- 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)164-165
- 7.3 進(jìn)一步工作展望165-168
- 參考文獻(xiàn)168-180
- 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單180-182
- 致謝182
【參考文獻(xiàn)】
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本文編號(hào)：680922
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