小型挤压式液体火箭发动机系统仿真

摘要

本文以挤压式液体火箭发动机为研究对象，以工程研制为背景，对小型的窄间液体火箭发动机系统进行静念特性及动态特性的研究，并且对系统中的电磁阀的静、动态特性进行了分析。 首先采用集中参数法，建立了挤压式供应系统的液体火箭发动机各部件的静态及动态数学模型。并针对系统中的某双稳态电磁阀，使用商用CFD软件FLUENT对其进行内部流场的数值模拟，通过使用不同流体介质，不改变阀门有效出口截面积的情况下，分析得到的三组数据，建立了该电磁阀的静态数学模型；通过编写UDF文件，实现对阀芯运动方程的控制，在阀门做由闭合到丌启、开启到闭合运动时，控制阀芯分别做匀速运动、匀加速运动以及阀芯受到液体阻力与电磁力作用力的耦合力的运动，分析了三种工况下电磁阀内部流场质量流率和阀门出口入口压降的变化以及运动时间，从而得到该电磁阀的动态特性。文中对电磁阀的静、动念特性的分析方法，对同类电磁阀的设计和系统分析具有一定的指导作用。 本文还以MATLAB软件作为设计平台，使用M文件编写了挤压式液体火箭发动机的静态系统仿真程序，分别针对单组元(H<,2>O<,2>)和双组元(N<,2>O<,4>/UDMH)推进系统进行了干扰因素对发动机参数的影响分析，包括贮箱上游压力以及管路直径对发动机推力等参数的影响。获得了系统内在的变化规律，以及额定工况下发动机的各参数值；将已建立好的发动机各部件的非线性数学模型，使用MATlLAB软件中的SIMULINK工具建立各组件的子模块，将发动机各组件子模块按实际工程图连接，采用四阶龙格一库塔方法进行仿真，得到挤压式液体火箭发动机系统中各个阀门的打丌时序，并分析丌关时序对动态系统的影响，得到各参数在不同打开时序下的变化图，对同类液体火箭发动机的研制与改进具有一定的工程指导意义。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1概述

1.2研究现状

1.2.1系统仿真

1.2.2 电磁阀

1.3本文的研究工作

第二章推进剂供应系统中各组件的数学模型

2.1引言

2.2气瓶的数学模型

2.3减压阀的数学模型

2.3.1减压阀的静态数学模型

2.3.2减压阀的动态数学模型

2.4贮箱的数学模型

2.4.1贮箱的静态数学模型

2.4.2贮箱的动态数学模型

2.5液体管路的数学模型

2.5.1管路的静态数学模型

2.5.2管路充填过程的数学模型

2.5.3管路的水击现象

2.6开关阀的数学模型

2.6.1开关阀的静态数学模型

2.6.2开关阀的动态数学模型

2.7喷注器的数学模型

2.8 小结

第三章电磁阀内流场数值模拟

3.1引言

3.2 几何模型及工作原理

3.3流体力学基本方程

3.3.1二维Navier-Stocks方程

3.3.2离散方法

3.3.3湍流模型

3.4计算网格与边界条件

3.4.1网格划分

3.4.2边界条件

3.5静态数值计算结果与研究

3.5.1计算初值

3.5.2计算结果与分析

3.6动态数值计算结果与研究

3.6.1阀芯匀速运动

3.6.2阀芯匀加速运动

3.6.3阀芯在耦合力作用下使阀门闭合的运动

3.6.4阀芯在耦合力作用下使阀门开启的运动

3.6 小结

第四章推力室热力计算

4.1引言

4.2燃烧室中燃烧过程的热力计算

4.2.1燃烧室热力计算的理论模型

4.2.2计算平衡组分的方法

4.2.3能量守恒方程与绝热燃烧温度

4.2.4燃烧产物的热力学性质及熵

4.2.4理论特征速度

4.3喷管中流动过程的热力计算

4.3.1喷管热力计算的理论模型

4.3.2喷管热力计算的任务

4.4推力室热力计算结果

4.4.1单组元推进剂的计算结果

4.4.2双组元推进剂的计算结果

4.5小结

第五章液体火箭发动机系统仿真

5.1引言

5.2液体火箭发动机静态系统仿真

5.2.1计算方法

5.2.2计算结果及分析

5.3液体火箭发动机动态系统仿真

5.3.1计算方法

5.3.2计算结果及分析

5.4小结

第六章结论

6.1本文主要成果

6.2本文主要创新点

6.3进一步的工作和建议

参考文献

致谢

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