HAN基单组元火箭发动机流动与传热仿真研究

摘要

单组元液体火箭发动机具有体积小、结构简单、控制精度高等优点，广泛应用于火箭、卫星等航天器的姿态及轨道控制。推进剂方面，相比于肼类推进剂，以硝酸羟胺基（HAN）推进剂为代表的新型绿色推进剂由于其高比冲、低毒性成为了各国研究的热点。本文针对HAN基单组元液体发动机，提出了描述推进剂分解反应的仿真模型，计算了发动机非定常启动过程中参数的变化，完成了150N发动机的三维稳态工作过程仿真。 本文首先以多孔介质理论为基础，并结合多相流VOF方法和催化剂滴定实验建立了可以简化单组元发动机流动与传热问题的仿真模型。该模型将液体推进剂的催化分解过程简化为两个独立的过程：相变反应的质量传递过程和能量释放的升温过程，通过增加动量源项和能量源项来模拟推进剂在催化床内部的流动与传热问题，从而获得较为准确的催化床和燃烧室内的温度分布和压力变化。 进一步，以一维管道流动为基础，并结合本文提出的仿真模型，编写了单组元发动机非定常起动过程的计算程序。以化学平衡计算得到的高温燃气作为入口条件，时间推进采用三阶Runge-Kutta方法，方程离散采用三阶WENO格式，通过非定常计算获得了发动机启动过程中催化床温度和压力变化曲线，对于单组元发动机的仿真和设计具有指导意义。 最后，应用CFD计算软件Fluent对150N硝酸羟胺基单组元发动机进行了稳态工作的数值仿真，并且通过改变条件探究了仿真参数对于三维稳态计算结果的影响。结果表明，数值仿真计算得到的发动机内部温度、压力等参数与同型号发动机的热试车数据具有较好地一致性，入口压力为1.6MPa（略低于试验压力约1.7MPa），燃烧室压力达1.2MPa，燃烧室温度约1600K；改变催化反应速率系数，直接影响发动机内部流场，使得压力和温度显著降低。

目录

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1绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1催化分解实验研究

1.2.2分析模型和数值方法研究

1.3本文研究内容及目标

2 HAN基单组元发动机工作过程的仿真模型

2.1多相流VOF模型简述

2.2控制方程

2.3多孔介质模型

2.3.1多孔介质的描述

2.3.2多孔介质的结构参数

2.3.3多孔介质流动的数值方法

2.4分解模型

2.4.1推进剂分解模型

2.4.2推进剂分解速率测定

2.4.3推进剂性质及能量释放

2.5本章小结

3 HAN基发动机起动过程的一维非定常计算

3.1控制方程

3.1.1流体控制方程

3.1.2 固体能量方程

3.2数值仿真方法

3.2.1有限体积WENO格式

3.2.2TVD格式Runge-Kutta时间推进方法

3.3非定常计算结果与分析

3.3.1催化床压力变化

3.3.2催化床温度变化

3.4参数变化的影响

3.4.1孔隙率对压降的影响

3.4.2对流换热系数对温度影响

3.5本章小结

4 150N发动机的仿真与分析

4.1发动机模型

4.1.1物理模型

4.1.2计算网格

4.2 FLUENT参数设置

4.3网格相关性验证

4.4仿真结果及对比分析

4.4.1发动机三维模型仿真结果

4.4.2试验数据对比分析

4.5低效率催化数值模拟

4.6本章小结

5结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文情况

致谢

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