大流量推力室氢头腔设计优化与数值分析

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1、2014年第1期导弹与航天运载技术No.12014总第330期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.330文章编号：1004-7182(2014)01-0021-04DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20140105大流量推力室氢头腔设计优化与数值分析丁兆波，陶瑞峰，孙纪国（北京航天动力研究所，北京，100076）摘要：高压大流量推力室氢头腔的优化设计对氢喷嘴流量均匀性和氧喷嘴声学错频具有非常重要的意义。通过对传统平顶式推力室氢头腔内的流场和氧喷嘴声学特性进

2、行的数值计算、与不同倾斜角度的阶梯式氢头腔进行对比分析，结果表明，平顶式氢头腔导致边区氢流量小于设计值，造成边区高混合比，而阶梯式氢头腔有效地提高了氢喷嘴流量的均匀性，使各圈氧喷嘴纵向声学频率不一致、能量分散，实现氧喷嘴和燃烧室的声学错频，从而大大降低喷注耦合声学不稳定发生的可能性，为大推力氢氧发动机高压大流量氢头腔结构的合理设计提供依据。关键词：推力室；阶梯式氢头腔；流场均匀性；声学错频中图分类号：V434.14文献标识码：ADesignOptimizationandNumericalAnalysis

3、onHydrogenCavityofLarge-FlowThrustChamberDingZhaobo,TaoRuifeng,SunJiguo（BeijingAerospacePropulsionInstitute，Beijing，100076）Abstract：Optimizationdesignforhigh-pressureandlarge-flowhydrogencavityhasveryimportanteffectontheflowfielduniformityofhydrogeninjec

4、torandtheacousticsfrequencystaggeringofoxygeninjector.TheflowfieldandacousticscharacteristicsofoxygeninjectorinsideatraditionalflattophydrogencavityaresimulatedusingCFDcode,whoseresultiscomparedwiththesteppedhydrogencavity.Thecomparisonshowsthatflattopca

5、vityresultsthatmarginhydrogenflowislessthandesign,leadingtothehighmixingrationatthemargin;steppedcavityimprovestheflowuniformityofhydrogeninjector,achievingtheacousticsfrequencystaggeringofoxygeninjectorandchamber.Theresearchresultscanprovidesomebasisfor

6、therationaldesignofhydrogencavityofhigh-pressureandlarge-flowthrustchamber.KeyWords:Thrustchamber;Steppedhydrogencavity;Flowfielduniformity;Acousticsfrequencystaggering[1]0引言了不稳定性。因此氢头腔的合理设计对氢喷嘴流量均高压大流量推力室氢头腔内部压力高达十几兆匀性和氧喷嘴声学错频都具有非常重要的意义。大推帕，氢头腔内部的不均匀流动将

7、导致其出口压力畸变，力氢氧发动机推力室结构如图1所示。目前，中国大使各个喷嘴流量不均，最终会影响壁面热防护和燃烧推力氢氧发动机推力室多采用如图1a）所示的传统平性能。氢头腔的结构形式还直接决定了氧喷嘴的长度，顶式氢头腔，而国外如RS-68、Vulcain和LE-7等大推而氧喷嘴长度决定其声学谐振频率。同轴式喷注单元力氢氧发动机推力室则普遍采用了如图1b）所示具有[2～8]的中心氧喷嘴易产生“风琴管”谐振，如果氧喷嘴的一定倾斜角度的阶梯式氢头腔。谐振频率和燃烧室的声学振型一致，就可能产生喷注本文对图1a）

8、所示的大推力氢氧发动机推力室的耦合声学不稳定性。J-2S发动机在研制过程中曾发生传统平顶式氢头腔流场和氧喷嘴声学特性进行了数值过4400Hz喷注耦合不稳定，后通过调整氧喷嘴节流模拟，并与图1b）所示的不同倾斜角度的阶梯式氢头孔的长度达到改变氧喷嘴声学频率的效果，从而消除腔进行了对比分析。收稿日期：2013-01-04基金项目：国家863高科技基金(2007AA702)作者简介：丁兆波（1980-），男，博士，工程师，主要从事液体火箭发动机燃