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双工况氢氧发动机燃烧与传热过程数值仿真研究

林志勇  
【摘要】: 本文针对液体火箭发动机喷雾燃烧传热过程发展了一整套完整物理模型和数值计算方法。应用三维湍流完全N-S方程以及颗粒轨道模型描述了两相燃烧流动过程,两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算,气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。燃气、壁面与冷气水之间的传热通过交界面热流耦合计算。再通过数值仿真超音速冷流中液滴的雾化与穿透深度问题,并与实验结果进行比较,验证所建立的喷雾两相流模型的有效性。 应用所建立的模型与算法对双工氢氧发动机内部喷雾燃烧流动与传热过程进行了数值仿真。首先,分别采用氢氧总包反应模型与八步反应模型计算比较了同一工况下的流场特点,验证了采用单步总包反应模型在本课题中研究的有效性,以此简化了计算量。通过对双工况氢氧发动机采用离心式喷嘴转工况前后的三维流场与传热过程的仿真分析,得到了流场参数分布、燃烧效率以及壁面传热与温度分布的各自特点,发现转工况前后流场的参数分布都很不均匀,转工况后壁面的温度与热流明显降低,另外还计算分析了不同喷嘴类型(离心式与直流式喷嘴)对燃烧效率与传热的影响情况,发现离心式喷嘴混合与燃烧效率都比直流式喷嘴好;采用直流式喷嘴后,燃烧室段的壁面的温度与热流明显降低。采用二维轴对称模型来分析喷嘴的不同排布对燃烧与传热的影响,发现喷嘴的不同排布对转工况前后的燃烧效率与传热的影响是不一致的。


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