无毒单组元液体火箭发动机起动过程研究

摘要

单组元液体火箭发动机广泛地应用于航天器的姿态控制。近年来，无毒单组元液体火箭发动机已成为该领域的研究重点。与双组元发动机相比，单组元发动机的工作方式是通过催化床的催化反应来产生高温气体，其中还伴随着燃烧反应；关于单组元发动机工作过程的仿真研究还较少，对其内部流动与传热过程的理解还较浅。因此，本文通过建立管路充填模型、零维理论模型、宏观模型以及细观模型对单组元发动机起动过程进行仿真研究，对于深入了解单组元发动机的工作过程，进而提高设计水平有较大的意义和价值。
　　本文首先利用VOF方法对发动机起动过程中管道内推进剂充填过程进行仿真，仿真分为静态仿真和动态仿真。静态仿真结果显示供应系统中的主要阻力元件为流量计和毛细管；通过动态仿真得到了管道内推进剂充填过程的宏观图像，分析了推进剂进入推力室的响应时间以及推进剂进入推力室的流量变化过程，并且响应时间和流量值与实验数据相吻合。
　　其次，对发动机做出适当的假设同时参考肼类发动机模型建立了无毒单组元发动机起动过程的零维理论模型，得到了发动机起动过程中压力变化的特征时间t80、t90以及催化床内的压降，其中t80与实验相比偏差为8.9%，t90为16.5%。
　　进一步，采用多孔介质模型，以CFD为基础对发动机起动过程中催化室内流动与传热进行详细地模拟，得到了详细的宏观物理图像。结果表明，催化床内温度由上游向下游逐渐降低，外壁面温度与实验测量的结果相一致；由于喉部处的辐射面积小从而导致此处壁面温度较高；催化床内压力变化与实验值符合较好，发动机比冲与理论预测结果相一致。
　　最后，利用离散单元法得到催化床内颗粒的空间分布状态，并提出一种网格划分方法，验证结果显示这种划分网格的方法是行之有效的。以CFD为基础，采用涡耗散反应模型对发动机起动过程进行数值模拟，得到了详细的物理图像，同时对发动机催化床内局部的温度和速度场分布进行分析。结果表明，在壁面及颗粒表面处易形成“沟壑”效应，这对催化床内温度和速度分布影响很大；发动机稳定工作时喷管出口流速以及室压与实验值符合较好；推进剂液滴蒸发影响发动机催化床内部温度的分布。研究结果对单组元发动机的研制有一定的参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

2 发动机起动过程管道充填模拟与分析

2.1 实验数据分析

2.2 推进剂充填管道的VOF方法

2.3 数值方法

2.4 推进剂充填过程模拟

2.5 小结

3 理论起动模型

3.1 特征时间

3.2 起动升压模型

3.3 发动机的起动过程计算

3.4 小结

4 起动过程的宏观模拟

4.1 发动机模型

4.2 控制方程

4.3 化学平衡方法

4.4 推进剂热力计算

4.5 边界条件与对流换热系数

4.6 发动机起动过程分析

4.7 小结

5 细观尺度下发动机的模拟与分析

5.1 催化床建模与网格划分

5.2 流动控制方程

5.3 方法的验证

5.4 化学反应式与反应模型

5.5 计算结果分析

5.6 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文情况

致谢