热推力器层板换热芯流固耦合传热与流动仿真

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1、第３５卷第４期国防科技大学学报Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．４２０１３年８月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＴＩＯＮＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＤＥＦＥＮＳＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡｕｇ．２０１３热推力器层板换热芯流固耦合传热与流动仿真邢宝玉，程谋森，黄敏超，刘昆（国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙４１００７３）摘要：热推进技术采用小分子量气体作为推进剂可以获取较高的比冲，是具有巨大应用前景的空间推进技术，而提高热推力器换热芯换热效率是目前亟待解决的问题。本文设计了基于层板结构的换热芯，结合层板结构的传热特点与流固耦合传热理论，对层板换热芯传热和工质流动进行了模拟计算。根

2、据耦合传热理论，将层板与工质的导热简化为系统内部边界条件，通过仿真计算得到了层板流固耦合温度场和流场分布特性，工质可以被加热至２３００Ｋ以上，验证了层板结构用于热推力器换热芯的有效性。关键词：热推进；流固耦合；层板换热；数值仿真中图分类号：Ｖ４３９．６文献标志码：Ａ文章编号：１００１－２４８６（２０１３）０４－００２０－０６ＦｌｕｉｄｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｌａｔｅｌｅｔｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｉｎｔｈｅｒｍａｌｔｈｒｕｓｔｅｒＸＩＮＧＢａｏｙｕ，ＣＨＥＮＧＭｏｕｓｅｎ，ＨＵＡＮＧＭｉｎｃ

3、ｈａｏ，ＬＩＵＫｕｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｅｓｓｏｌａｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎａｎｄｎｕｃｌｅａｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ａｎｄｉｔｉｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｓｓｕｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｔｈｒｕｓｔｅｒ．Ｂａ

4、ｓｅｄｏｎｔｈｅｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｕｔｉｌｉｚｅｄｔｈｅｐｌａｔｅｌｅｔｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｐｌａｔｅｌｅｔｐａｓｓａｇｅ．Ａｃｏｕｐｌｅｄｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｅｄｂｏｔｈｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｆｌｏｗａｎｄｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｂｅｔｗｅｅｎｆｌｕｉｄａｎｄｓｏｌｉｄｐａｒｔｓ，ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｍｏｎｇｓｏｌｉｄｐ

5、ａｒｔｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｅｄｍｅｔｈｏｄｃａｎｓｏｌｖｅｔｈｅｓｔｅａｄｙｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｔｈｅｐｌａｔｅｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｃａｎｂｅｈｅａｔｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ２３００Ｋｆｏｒｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ；ｆｌｕｉｄｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｅｄ；ｐｌａｔｅｌｅｔｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［４］热推进技术采

6、用推进剂从热源吸收热来产生体积大，质量大。杨杰等运用数值模拟方法得高温气体，进而通过气动喷管膨胀喷射产生推出了一般情况下螺旋通道的长度、宽度参数范围，［１］力。按照热源不同，主要分为太阳能热推进和深入分析了结构参数对推力、比冲等性能的影响。核热推进。热推进技术采用小分子量气体（如氢当以氢为工质，在２３００Ｋ工作时，螺旋通道的长气）作为推进剂，可以获取６００～９００ｓ的高比冲，度要１６５ｃｍ才能获得理想的加热效果。推力室现已成为国内外研究的热点。热推进系统可实现长度增加就意味着系统体积大，结构复杂，质量增上面级推进和轨道机动飞行器的空间主推进，特加，推力器完

7、成任务的能力降低。［２］［５～６］别是可应用于卫星的轨道快速机动。本文借鉴层板发汗冷却结构设计，采用高效的换热流道是热推进实现高比冲的关多层板高效换热流道结构通过分流的方式，增大键，可以提高工质进入喷管的温度，进而提高推进工质与层板的换热面积，使工质在推力室内得到系统的比冲。螺旋流道由于结构简单，易加工，是充分加热。同时，工质沿径向从低温外壁向高温国外研究中多采用的结构。英国萨里大学设计和内壁流动，降低了外壁温度，减少了推力器对外部制造了两种结构ＭＫ１和ＭＫ２，并在真空舱内加热环境的热损失，提高了系统的能量利用效率。利［３］到１５００～２０００Ｋ。ＭＫ１系

8、统结合了粒子床结用层板结构的这一优势，工质与高温层板的对流构，使壁