液氧甲烷单喷嘴燃烧性能数值仿真研究.pdf

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1、第40卷第1期2014年2月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．40．No．1Feb．2014液氧甲烷单喷嘴燃烧性能数值仿真研究刘红珍，田原，孙纪国(北京航天动力研究所，北京100076)摘要：为了研究液氧甲烷同轴剪切式喷注器结构参数变化对燃烧性能的影响，以单喷嘴为物理模型进行了燃烧数值仿真。研究表明：适当增加氧喷嘴出口壁厚和增加喷嘴个数均能提高喷注器燃烧效率，其中增加喷嘴个数对燃烧效率的影响更为显著。关键词：液氧甲烷喷注器；单喷嘴；燃烧性能；数值模拟中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2014)01—00

2、56—04NumericalsimulationofcombustionperformanceofLOX／methanesinglenozzleLIUHong-zhen，TIANYuan，SUNJi-guo(BeijingAerospacePropulsionInstitute，Beijing100076，China)Abj蛐随ct：InordertostudytheinfluenceofstructureparameterchangeofCO—axialshearLOX／methaneinjectoronitscombustionperformance，asingle

3、nozzleistakenasaphysicalmodeltocarryoutthecombustionnumericalsimulation．TheresearchshowsthattheappropriateincreaseofthewallthicknessatoutletofLOXnozzleandadditionofthenozzlequantitycanimprovethecom—bustionefficiencyoftheinjector，andtheeffectofadditionofthenozzlequantityonthecombustioneff

4、iciencyisgreater．Ke胛orda：liquidoxygen／methaneinjector；singlenozzle；combustionperformance；numericalsimulationO引言甲烷作为火箭发动机的推进剂，具有资源丰富、供应便捷、无毒无污染、密度比冲高、不结焦、冷却性能好等优点。因此，液氧甲烷火箭发动机是具有广泛应用前景的新型动力装置，受到各航天大国的广泛关注，开展了大量的研究工作。喷注器雾化及其燃烧是液体火箭发动机最基本的过程，也是主要研究内容之一。合理的喷注收稿日期：2013—10一11；修回日期：2013—12-02基金

5、项目：国家863项目(2006AA702067)作者简介：刘红珍(1984一)，女，工程师，研究领域为液体火箭发动机燃烧装置设计第40卷第1期刘红珍，等：液氧甲烷单喷嘴燃烧性能数值仿真研究57器设计是燃烧装置组织高效、稳定燃烧的关键。国内外对喷注器的雾化及其燃烧进行了大量研究。文献【1】利用FLUENT软件对液氧煤油的单喷嘴稳态燃烧进行数值模拟，并表明适当增加氧喷嘴出口壁厚和缩进长度有利于燃烧室火焰的附着并且可以提高燃烧流场的均匀度。文献[2—3]对液氧气氢非稳态燃烧进行数值模拟，得到了瞬态下火焰结构特点。文献[3]研究了混合比变化以及氧喷嘴出口壁厚变化对火焰结构的影响

6、，得出氧喷嘴壁厚的增加有利于增大液氧与甲烷的掺混燃烧。文献[4]以液氮和气氦为介质研究了在超临界状态与亚临界状态下的雾化过程，得出超临界状态与亚临界状态下雾化的机理：亚临界状态下液氧具有表面张力，雾化过程中先破碎为液滴，液滴再进行蒸发；在超临界状态下，液氧雾化过程将不再产生液滴，而主要表现为不同密度的组份间通过湍流掺混、燃烧。为研究喷注器结构参数变化对燃烧效率的影响，以提高燃烧效率为目的，设计出5种不同结构尺寸的喷注器。本文以单喷嘴为物理模型进行燃烧数值仿真，研究不同结构参数变化对喷注器燃烧性能的影响，并优选出燃烧效率最高的喷注器。1单喷嘴方案计算中采用的单喷嘴均为同轴

7、直流式喷嘴。图1是喷嘴结构示意图。为研究氧喷嘴出口壁厚和喷注器中喷嘴个数对燃烧性能的影响，以保持喷注器总流量不变为原则，设计了5种方案。以A方案为基准方案，B，C，D三种方案改变氧喷嘴出口壁厚；E方案增加喷注器中喷嘴个数，反映到单喷嘴燃烧室模型中即单喷嘴燃烧流量减小以及单喷嘴燃烧室的半径变小。由喷注器简化到单喷嘴模型以保持喷嘴密度不变为原则，得到简化后单喷嘴燃烧室半径尺。表1是单喷嘴的设计参数表。受计算量限制，将单喷嘴简化成二维轴对称计算模型，单喷嘴燃烧室长度以能够充分反映混合与燃烧特性及流动的充分发展特性为原则。确定的计算域如图2所示。