基于多孔介质内燃烧的微小型化学推进系统的数值研究

摘要

为了发展具有高分辨率推力和高比冲的微小型化学推进系统，本文采用理论分析和数值模拟的方法，对微推进系统中单个部件内的流动与燃烧过程以及整个系统的燃烧推进过程进行了研究。全文包括四个方面的工作：微通道内低速气体流动和微喷管内超声速气体流动的数值研究、微腔体内预混燃烧的数值研究、惰性多孔介质内低速过滤燃烧的理论与数值研究以及微小型化学推进系统工作循环的数值模拟与性能分析。 采用不同的滑移连续介质模型，对微通道中低马赫数的气体流动进行了二维和三维数值模拟，研究了通道外形、进出口压比和出口压力等对流场的影响，并采用小扰动方法进行了相应的理论分析。详细讨论了微通道流的可压缩效应、稀薄效应、热蠕动效应、低雷诺数效应、三维效应以及不同滑移条件对计算结果的影响，利用实验结果和DSMC方法验证滑移连续介质模型在不同努森数区域的适用性，并总结出努森数和雷诺数是微通道流的特征参数。 基于无滑移和有滑移的连续介质模型，对微尺度拉伐尔喷管内的冷态流场进行了二维和三维数值模拟，利用DSMC方法验证微喷管流中的连续介质模型。重点分析微喷管流的低雷诺数效应和三维效应，并研究了喷管外形和工作条件等对流场结构和推进性能的影响。研究表明，雷诺数是表征微喷管推进性能的特征参数，喷管的微型化有助于实现高分辨率推力，而提高工作压力可以降低微喷管流的粘性损失。 采用良搅拌反应器模型和详细的化学反应机理(GRI-Mech3.0)，对微小空腔内气体预混燃烧过程进行了零维数值模拟，从微小空腔内稳定燃烧的临界半径、临界点火压力以及燃气流率范围着手，分析了燃气成分和环境热损等因素对微尺度燃烧的点火与熄火特性的影响。 基于一维瞬态反应流模型和一步总包反应机理，对惰性堆积床内低速过滤贫燃过程进行了理论研究，因次分析系统的热输运特性和特征尺度并推导出修正的单温度模型。采用准稳态模型的特征值方法，对充分发展后系统温度分布进行理论分析；基于准稳态的修正单温度模型，考虑变热物性和变输运参数以及热损效应，采用新型火焰区摄动理论和全域温度直接求解法，构建一套完善的耦合封闭的解析模型，并预测燃烧波波速、火焰传播速率和火焰最高温度等燃烧特性参数。 基于双温度模型和修正单温度模型，采用格林函数法和基本解方法对惰性堆积床内低速过滤贫燃过程进行瞬态理论分析，并开展参数敏感性分析。引入双通量辐射模型和多步化学反应机理，采用传统的反应流双相模型和新颖的均相模型，对充分发展后低速过滤贫燃过程进行数值模拟，验证瞬态理论分析方法和准稳态理论分析方法，并详细讨论了化学反应机理、辐射模型、弥散效应以及变热物性和热输运参数等对计算结果的影响。 采用良搅拌反应器模型和详细化学反应机理(GRI-Mech3.0)，对微小型化学推进器的工作循环及其稳态推进性能进行了零维数值研究，着重分析了推进器的微尺度特性和点火启动特性，并简要讨论了燃气成分、点火条件、工作条件以及多孔介质等因素对系统稳态推进性能的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章微通道内气体流动的理论分析与数值模拟

第三章微尺度拉伐尔喷管内冷态流场及推进性能

第四章微小空腔内气体预混燃烧

第五章多孔介质内过滤燃烧的一维瞬态模型及准稳态理论分析

第六章多孔介质内过滤燃烧的瞬态理论分析

第七章微小型化学推进器的性能分析

第八章结论和展望

参考文献

博士期间发表的学术论文

致谢