小推力液氧-甲烷發(fā)動機噴霧燃燒特性研究.pdf

1、本文針對小推力液氧/甲烷發(fā)動機，采用理論分析、實驗研究和數值仿真的方法對其進行了研究。重點對同軸離心式、液液互擊式和氣液互擊式噴注方案進行冷試驗和對發(fā)動機燃燒流動過程進行數值仿真。冷試驗結果和數值仿真結果的分析，為無毒推進劑小推力發(fā)動機的設計和改進提供了參考。
　　首先，本文通過霧化試驗對兩種推力的小推力液氧/甲烷發(fā)動機的同軸離心式、液液互擊式和氣液互擊式噴注方案進行試驗，并詳細地分析了各種噴注方案的流量特性和霧化特性。對于同軸離

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

3、著液體流量增加，粒徑的測量值有較快的下降；液滴軸向速度在徑向上先增大后減小，并且隨著氣態(tài)介質噴注壓強的增加而增加。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，對發(fā)動機燃燒室的燃燒流動過程進行仿真。重點對液膜冷卻進行分析，通過改變冷卻液膜占推進劑總質量的質量分數，設計了六個仿真工況，冷卻劑的百分數變化范圍是10％—35%，通過對比不同液膜冷卻劑質

4、量分數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)和對流換熱的作用效果；隨著冷卻劑質量分數的增加，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量分數范圍為25%—30%。
　　最后，以冷卻劑質量分數為25%作為基準工況，分別以減小噴注液滴粒徑和改變發(fā)動機的燃燒室特征長度作為對比工

5、況，通過對比不同液滴粒徑和三種特征長度的燃燒室對溫度場、液相質量分數和甲烷體積分數的影響，發(fā)現(xiàn)推進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。燃燒室特征長度對燃燒流場有一定的影響，適當地增加燃燒室特征長度，可以提高燃燒效率；發(fā)動機下游的液相質量分數逐漸減小，不利于甲烷液膜對發(fā)動機內壁進行冷卻，發(fā)動機內壁附近的液相質量分數和甲烷組分的減少不利于液膜對壁面進行冷卻，因此，燃燒室不能過長，采用0.81