单组元推力器毛细管两相流影响分析

《单组元推力器毛细管两相流影响分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2013年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology单组元推力器毛细管两相流影响分析陈君王梦(北京控制工程研究所，北京100190)摘要单组元推力器在工作过程中产生的高温向毛细管处传递，使毛细管内产生气液两相流动。随着推进剂流量的减小，气相组分将不断增加，并会产生明显的气阻。文章就气阻对推力器的影响进行了专题研究，采用FLUENT软件，基于体积分数模型和多相流控制方程，对84种条件下毛细管内两相流的分布情况和两相流对推力器毛细管压差的影响情况进行了数值模拟，并通过两种推力器热试车开展了毛细管内两相流对推力器燃压影响的专项试验。数值模拟结

2、果和试验结果表明，在毛细管内径足够小时，毛细管内的两相流引起的气阻均会导致毛细管内部压降的突然变化，从而引起推力器燃压阶跃，燃压逐渐降低，并进一步影响推力，使推力逐渐下降。关键词单组元推力器毛细管气阻两相流航天器DOI：lO．3780／1．issn．1000—758X．2013．02．0081引言单组元姿控推力器一般推力较小，推进剂流量小，因此典型的姿控推力器均采用毛细管进行推力器的流量控制。推进剂进入催化床发生催化分解反应，产生的高温通过辐射和传导等方式向毛细管处传递。肼的分解温度约为270℃，而发动机工作时毛细管出口温度将达到400～500℃，因此毛细管内部将不可避免地发生肼的自

3、分解，这使毛细管内的流动成为涉及冷流动、蒸发和热分解相变的气液两相流动问题。当推进剂流量较大时，冷流占主导地位，蒸发和热分解相对有限，因此对推力器的正常工作不会产生太大影响。随着推进剂流量的逐步减小，蒸发和热分解所占比重逐步上升，尤其是随着热分解的增加，毛细管内气相组分不断增加，将会产生明显的气阻，严重时会影响推进剂的正常流动，从而使推力器的燃烧平衡发生改变以至影响推力器的推力性能，本文就此进行了分析。2毛细管两相流数值分析(1)研究对象为了保证研究的普遍性和代表性，在数值分析时选择了3种典型的毛细管构型：直管，拱形管和螺旋管。3种构型均采用不锈钢管，管壁厚为0．2mm，管内径分别为

4、0．05mm、0．10mm、0．15mm、0．20mm，壁面温度从人口处50℃沿轴向线性增加至出口处500℃。研究分析在流道内压降分别为0．1MPa、0．2MPa、0．3MPa、0．4MPa、0．5MPa、0．6MPa、0．7MPa条件下的两相流分布。管道压力情况见表1。收稿日期：2012—07—19。收修改稿日期：2012-10—2948中国空间科学技术2013年4月在上述设定条件下，共需对84种条件(12根不同结构的毛细管分别对应7个不同的出人口压差值)毛细管中肼的流动及相变情况进行分析，得出毛细管出口处质量流量、速度和液相体积分数随时问的变化情况，以及30ms、50ms、100

5、ms、200ms时刻管内的瞬态情况。通过对以上结果的分析，确定气阻对流动的影响程度。(2)体积分数模型体积分数(VolumeofFluid，VOF)模型能够比较好地反映多相流之间的界面情况[1]。比如大的气泡以比较慢的速度在液体中流动，气液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各项物性表1管道压力情况表压降人口压力出口压力O．10．4O．3O．2O．6O．4O．3O．8O．50．41．2O．8O．51．61．1O．61．81．2O．72．O1．3一峰芋堕at+H乳一一鲁，薯+H耽。一詈，塞+乳(胪)-o鱼笔}+V·(puu)=一Vp+V·盼(VH+VHT)]+pg。+F，亘％譬+v．_

6、(PE+户)]一v．(愚dVT)+Sh，￡l+e。=1，iO=EglOg+(1一e。)Pl，p—e。卢。+c1--e．，p·，“=垒＆兰[L号半，E一垒笔妄}}专群度；g。为动力加速度；F为质量力；E一^一鱼+百uf，其中矗为焓，“：为i方向的速度分量；k茁为!旦!!生!旦±垦窒!里型兰壁查±2(4)N-S方程的雷诺平均根据湍流流场中的时均运算规律9=；+驴7，乒7一o，如7一o，P7妒7≠o(妒和妒为任意变量，历为时均值，97为脉动)，则在忽略密度脉动(P7—0)时，将各瞬时量分解为时均值及脉动值，再取时间平均，得到雷诺平均的时均方程组[6]。1)连续性方程：寒+导(阳)--0a￡

7、’az．、r⋯2)动量守恒方程：掣+掣一一磊3P，+ai叫警+警)卜毒(1D丽)一呈熹[P警-I+p93i+ia￡az}azfaz，LP、aziazf。一az，、广。一’7aziLrazI‘。‘3)能量守恒方程：盟乒+挈一毒cA蓦，一击cP巧7，+s。a￡az，az}⋯az，。az，、r’’8式中让和u，为速度矢量H的分量形式；c，为质量定压热容；S；为体积热源项。求解过程采用肛e模型对管内的湍流运动进行数值求解，双方程肛e湍流模型就是把湍流的脉动值附加项