单推-3凝胶火箭发动机工作过程研究

摘要

凝胶推进剂是一种新型的火箭发动机推进剂，由于兼具固体推进剂和液体推进剂的优点，从而在未来的航空航天领域有很好的发展及应用前景。本文以此为背景，从两个方面对凝胶火箭发动机的工作过程进行了研究，首先对凝胶推进剂的射流破碎稳定性进行线性分析，然后采用Fluent软件对单推-3凝胶推进剂在燃烧室内的工作过程进行了数值模拟，主要内容如下:
　　建立了幂律流体射流破碎的轴对称数学模型，并推导出了它的色散方程，进行了时间模态下的稳定性分析。结果表明，表面波最大增长率及波数会随着射流速度与环境气体动态粘度的增加而增加，随着表面张力、射流半径、边界层厚度、幂律指数的增加而减小，因此改变相关的条件就可以增加射流的不稳定性，从而有利于其破碎与雾化。搭建了射流实验系统，进行了凝胶模拟液射流破碎的实验，将最大表面扰动波的波长的实验结果与理论计算的结果进行了对比，发现理论计算的结果偏大，但是随着射流速度的增加，差异逐渐减小。
　　通过Fluent软件对凝胶单推-3推进剂在燃烧室内的工作过程进行了数值模拟。并且讨论了不同参数对于燃烧室内部压力、温度及组分浓度等流场特性的影响。结果发现，催化床的长度越短，因氨分解率的降低，燃烧室的温度反而较高，压力也随之升高。而固定催化床的长度，氨气的分解率会随着质量流率的增加而降低，从而使燃烧室温度及压力升高。推进剂温度从30℃升高到90℃时，氨气的分解率会稍微提高，燃烧室压力温度也会略微下降。多孔介质区域孔隙率的减小，会使催化床的压力损失增加，从而使燃烧室的温度下降。另外，推进剂与催化床间的相互作用，如渗透率，对反应特性也有相当重要的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外相关研究综述

1．2．1 流体射流破碎

1．2．2 凝胶推进剂研究

1．2．3 凝胶火箭发动机近年发展

1．2．4 燃烧室工作过程数值模拟

1．3 本文主要内容

2 物理及数学模型

2．1 物理模型

2．2 射流破碎线性模型的建立

2．2．1 射流的速度分布

2．2．2 线性破碎模型的建立

2．3 燃烧室内工作过程数学模型

2．3．1 控制方程

2．3．2 化学反应动力学模型

2．3．3 喷雾液滴相关公式

2．4 本章小结

3 凝胶推进剂射流破碎线性分析及实验研究

3．1 射流破碎线性分析

3．1．1 不同参数对射流破碎稳定性的影响

3．1．2 稳定性特征曲线

3．2 凝胶射流破碎实验及对比

3．2．1 凝胶模拟液的制备

3．2．2 主要实验设备

3．2．3 实验结果与分析

3．3 本章小结

4 燃烧室内工作过程数值模拟

4．1 燃烧室基本参数确定

4．2 网格及其边界条件

4．3 数值模拟结果与讨论

4．3．1 多孔介质的影响概述

4．3．2 催化床长度对燃烧室内参数的影响

4．3．3 推进剂温度对燃烧室内参数的影响

4．3．4 推进剂流量对燃烧室内参数的影响

4．3．5 孔隙率对燃烧室内参数的影响

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况