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《中国科学技术大学》 2006年
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基于多孔介质内燃烧的微小型化学推进系统的数值研究

张根烜  
【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-Mech 3.0),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。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TK16

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 童军杰;岑继文;;三维壁面效应对微喷管性能影响的数值计算[J];微纳电子技术;2011年06期
2 童军杰;岑继文;;三维壁面效应对扁平微喷管性能影响[J];四川兵工学报;2011年04期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 逄燕;刘赵淼;;喉部圆角半径对微喷管性能的影响[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 赵平辉;惰性多孔介质内预混燃烧的研究[D];中国科学技术大学;2007年
2 蒋利桥;微尺度火焰及微燃烧器的稳燃强化技术研究[D];中国科学技术大学;2008年
3 林博颖;惰性多孔介质内的液雾燃烧[D];中国科学技术大学;2008年
4 姜海;多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值研究[D];中国科学技术大学;2008年
5 朱林;硅基微尺度燃烧器燃烧特性与结构失效的研究[D];中国科学技术大学;2008年
6 何贤钊;内置多孔介质Swiss-roll燃烧器的点火启动和热能利用研究[D];中国科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 张凯;多孔介质回热微小燃烧器燃烧特性研究[D];郑州大学;2012年
2 张硕果;回热型微燃烧温差发电系统的研究[D];郑州大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 童军杰;徐进良;岑继文;;黏性耗散对微喷管性能的影响[J];微纳电子技术;2010年03期
5 童军杰;岑继文;;三维壁面效应对微喷管性能影响的数值计算[J];微纳电子技术;2011年06期
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7 郭水华;饶文涛;;多孔介质燃烧技术在室式加热炉的设计与应用[J];宝钢技术;2011年03期
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9 郭守月;冯克成;;媒质中的光线族方程与折射率的关系研究[J];长春理工大学学报;2006年04期
10 徐超;李兆泽;万红;吴学忠;;MEMS固体微推进器中Cr薄膜点火电阻的研究[J];传感技术学报;2006年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李志辉;方明;唐少强;;气体运动论统一算法与DSMC方法描述Boltzmann方程的一致性研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
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5 侯根富;;红外线与大气式组合燃烧民用燃气灶具的热工特性[A];中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2007年会论文集[C];2007年
6 刘艳春;曾令可;祝杰;王慧;程小苏;王兆春;;红外线节能灶具用多孔介质性能比较[A];中国土木工程学会城市燃气分会应用专业委员会2010年年会论文集[C];2010年
7 崔新华;;承德建龙轧钢厂加热炉工况分析及解决方案[A];2008年全国轧钢生产技术会议文集[C];2008年
8 饶文涛;李本文;;多孔介质燃烧技术工业应用数值模拟研究[A];2010全国能源与热工学术年会论文集[C];2010年
9 曹甄俊;朱彤;张婧瑜;;高温空气燃烧关键技术问题[A];2010全国能源与热工学术年会论文集[C];2010年
10 李志辉;符松;张涵信;;微槽道流动的Boltzmann模型方程算法研究[A];2003空气动力学前沿研究论文集[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 徐涛;电场作用下液体乙醇微细尺度层流扩散燃烧的实验与数值模拟[D];华南理工大学;2010年
2 郑立刚;煤粉射流的高温空气燃烧特性与燃煤锅炉低NO_x燃烧优化研究[D];浙江大学;2009年
3 汪洋;微尺度环境下预混火焰稳燃方法的研究[D];浙江大学;2010年
4 温正城;臭氧在烟气中氧化降解多种污染物的机理研究[D];浙江大学;2009年
5 徐侃;微小尺度燃烧中淬熄距离和贫燃极限的研究[D];中国科学技术大学;2011年
6 唐爱坤;平板式微热光电系统能量转换过程的研究[D];江苏大学;2011年
7 张颂红;微通道内固体脂质纳米粒的成形与传质机理研究[D];浙江大学;2010年
8 段君毅;场致发射电推力器工作性能及其发射机理研究[D];上海交通大学;2011年
9 李杰;大高径比霍尔推力器的理论与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 刘慧;多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究[D];东北大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张明飞;带嵌件注塑模具冷却过程的边界元分析[D];郑州大学;2010年
2 王玲玲;南水北调中线总干渠节制闸控制运行方式研究[D];郑州大学;2010年
3 何宽;微通道内就地制备和原位转化重氮甲烷[D];华东理工大学;2011年
4 李涛;低热值预混气在往复式多孔介质中燃烧实验研究[D];浙江大学;2010年
5 张成义;气动辅助变轨的轨道模拟[D];浙江大学;2010年
6 陈翠梧;高温空气燃烧模型研究和结构优化[D];东华大学;2011年
7 王红波;非圆截面小通道内气液两相流动特性实验研究[D];东北电力大学;2011年
8 王俊;基于DSP和ARM的激光粒度仪关键电路设计[D];西安工业大学;2011年
9 张省漪;多孔结构对管道内火焰速度和压力的影响[D];大连理工大学;2011年
10 刘笑言;多孔材料对管道内火焰传播抑制的数值研究[D];大连理工大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 康建初,尹宝林,高鹏;支持 MEMS 的 CAD/CAE 系统结构研究[J];北京航空航天大学学报;1998年04期
3 焦国凤,刘辉,杨立英,李成岳;蜂窝体催化燃烧反应器中流动特性的数值模拟[J];北京化工大学学报(自然科学版);2004年02期
4 王盈;朱吉钦;李成岳;;低浓度甲烷流向变换催化燃烧取热技术[J];北京化工大学学报(自然科学版);2006年05期
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10 吴学成,程乐鸣,王恩宇,骆仲泱,岑可法;多孔介质中的预混燃烧发展现状[J];电站系统工程;2003年01期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 胡宇群;微型飞行器中的若干动力学问题研究[D];南京航空航天大学;2002年
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8 刘尚余;可再生能源领域CDM项目开发的关键问题研究[D];中国科学技术大学;2007年
9 姜海;多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值研究[D];中国科学技术大学;2008年
10 王高峰;基于激波管实验平台的甲烷燃烧化学动力学机理研究[D];中国科学技术大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 黄银盛;太阳能温差发电及传热特性研究[D];华南理工大学;2011年
2 常洪龙;基于“Top-Down”的MEMS集成设计方法及关键技术研究[D];西北工业大学;2002年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前6条
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2 饶文涛;;第三代燃烧新技术-多孔介质燃烧技术研发及应用[J];四川冶金;2010年06期
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5 李腾;方蜀州;刘旭辉;马红鹏;;固体微推力器点火过程数值研究[J];推进技术;2014年09期
6 潘剑锋;李晓春;唐爱坤;薛宏;;亚毫米平板式微燃烧室性能的影响因素研究[J];中国机械工程;2010年17期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 刘慧;多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究[D];东北大学;2010年
2 姜海;多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值研究[D];中国科学技术大学;2008年
3 何贤钊;内置多孔介质Swiss-roll燃烧器的点火启动和热能利用研究[D];中国科学技术大学;2010年
4 刘凤国;家用燃气快速热水器全预混燃烧的数值模拟与实验研究[D];天津大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李涛;低热值预混气在往复式多孔介质中燃烧实验研究[D];浙江大学;2010年
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7 董帅;预混气体在惰性多孔介质内燃烧的实验和数值模拟初步研究[D];东北大学;2008年
8 徐维广;自然堆积多孔介质燃烧及换热实验研究[D];山东建筑大学;2012年
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10 朱茜茜;泡沫陶瓷多孔介质燃烧温度特性和火焰面移动特性实验研究[D];浙江大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘宪秋,卢国楷,马志伟,朱建红;多孔介质对贫燃料燃烧极限的影响[J];北京化工学院学报(自然科学版);1994年02期
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10 朱恂,辛明道;滑移流区内微环缝通道单侧等壁温加热下的换热[J];重庆大学学报(自然科学版);2001年03期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 杜礼明;稀薄预混气体在多孔介质中超绝热燃烧的研究[D];大连理工大学;2003年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 张志军,杜建华,王补宣;多孔介质强迫对流传热中粘性耗散的影响[J];上海交通大学学报;1999年08期
5 杨臣;杨昆;刘伟;;采用多孔介质和肋片复合传热强化的数值研究[J];工程热物理学报;2009年06期
6 吴效楠;扈显琦;祁强;;多孔介质中天然气水合物相平衡条件研究进展[J];河北化工;2010年06期
7 常仕维;关于土建织物渗透特性的探讨[J];产业用纺织品;1988年02期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张鹏;李英;董凤兰;;多孔介质中泡沫的产生和运移[A];中国化学会第十届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2004年
2 郭尚平;于大森;吴万娣;;生物脏器的孔隙率[A];全国第一届生物力学学术会议论文汇编[C];1981年
3 张德会;李健康;;多孔介质渗透率在金属成矿学研究中的意义[A];固体地球系统复杂性与地质过程动力学学术讨论会论文摘要集[C];2004年
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7 刘雪梅;许友生;;格子Boltzman方法研究竖直多孔介质板内混合对流传热传质问题[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
8 郭尚平;于大森;吴万娣;;生物脏器多孔介质的孔径分布和比面[A];全国第一届生物力学学术会议论文汇编[C];1981年
9 陈益峰;周创兵;井兰如;;THM耦合条件下多孔介质的多相流传输过程[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
10 郁伯铭;;分形渗透率模型对于多孔介质的应用[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
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2 饶文涛;多孔介质燃烧新技术及应用[N];世界金属导报;2009年
3 饶文涛;新一代燃烧技术——多孔介质燃烧[N];中国冶金报;2009年
4 特约记者  王振江 马立玫 盛玉奎;华北采油五厂稠油油藏实现规模化开采[N];中国石油报;2006年
5 尹万珠;森林与水的关系:缝隙现象和合力水运动(上)[N];科技日报;2002年
6 本报记者 任荃;“绿色”头脑左右创新行动[N];文汇报;2009年
7 尹万珠;森林与水的关系:改良沙化土壤[N];科技日报;2002年
8 王红;精馏技术国家工程中心优势凸显[N];中国化工报;2003年
9 齐欣;特色:立校之本[N];中国教育报;2003年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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