液体喷嘴动态特性数值模拟

收稿日期:2003-11-13;修订日期:2004-02-26基金项目:863基金资助项目(2002AA 726022)

作者简介:杨立军(1970-),男,黑龙江大庆人,北京航空航天大学宇航学院副教授,主要从事液体火箭发动机喷雾燃烧研究.第19卷　第6期2004年12月

航空动力学报

Journa l of Aerospace Power

V ol 119N o 16

D ec .2004

文章编号:100028055(2004)0620866207

液体喷嘴动态特性数值模拟

杨立军,张向阳,高　芳,张振鹏

(北京航空航天大学宇航学院,北京100083)

摘要:对直流、离心喷嘴进行了理论分析,采用“频率法”对直流和离心喷嘴的动态特性进行了数值模拟,所得结果表明:增加振荡频率会导致直流和离心喷嘴流量的振幅降低和相移增大,而增大压降则结果相反;在相同工况下,当直流喷嘴增大长径比或离心喷嘴增大几何特性时均会导致振幅降低和相移增大,离心喷嘴喷口长度增大导致相移增大,而对振幅无明显影响。此结果与国外研究结果符合较好,并为进一步开展喷嘴动力学研究奠定了基础。

关　键　词:航空、航天推进系统;直流喷嘴;离心喷嘴;动态特性;数值模拟中图分类号:V 434 文献标识码:A

Nu m er i ca l Si m ula ti on of L i qui d I n jector D ynam i cs

YAN G L i 2jun ,ZHAN G X iang 2yang ,

GAO Fang ,ZHAN G Zhen 2peng

(1.Schoo l of A stronautics ,Beijing U n iversity of A eronautics and A stronautics ,

Beijing 100083,Ch ina )

Abstract :In order to study the dyna m ic characteristics of liquid rocket engine in jectors ,the 2o retical analysis has been carried out fo r the p lane orifice and centrifugal injecto rs

."F requency M ethod "w as used fo r the num erical si m ulati on of the injector dyna m ics .T he results show that w ith the increase of pulse frequency ,the flux s w ing of the p lane orifice and centrifugal injecto rs decreases and the phase sh ift increases

.W ith the increase of p ressure ,the flux s w ing increases and the phase sh ift decreases

.U nder the sa m e conditi on ,w ith the increase of the p lane o rifice in jecto r’s length o r the geom etric characteristics of cen trifugal in jectors ,the s w ing decreases and the phase sh ift increases

.W ith the increase of the s pout length of centrifugal injectors ,the phase sh ift increases w h ile the s w ing is not affected re m arkably .T hese results agree w ell w ith fo reign investigati ons and establish the basis for further study .

Key words :aeros pace p ropulsi on syste m ;p lane orifice in jector ;centrifugal injecto r ;

dyna m ics ;num erical si m ulati on

液体喷嘴是液体火箭发动机燃烧室和其它动力装置的关键部件之一。喷嘴除了完成喷雾和掺

混的任务外,同时还起到了敏感元件、放大器、相

位调节器、激励器甚至振荡器的作用,可以通过改变喷嘴动态特性抑制不稳定燃烧的发生[1]。近年

来俄罗斯学者发表了一些关于液体喷嘴动力学理

论和实验研究结果,其理论分析的实质是采用一维简化的方法[1～3]。

由于喷嘴动态特性试验研究的难度较大,费用较高,因此本文采用数值模拟方法对喷嘴的动态特性进行研究。目前求解流动动态特性问题的主要方法有:能量法;特征线法;波动法;频率法。频率法是在线性分析和自动调节原理的基础上发展起来的,考虑了流体的压缩性和粘性,实践表明,此方法针对压力脉动情况较为合适[4]。

陈佐一等人采用振荡流体力学方法分析了气液喷嘴内流体振荡的传播规律,但计算工作量较大[5]。实际上,在求解喷嘴动态特性时,用频域处理方法要比用时域处理方法简单,即在实频域求频率响应比解微分方程简便。当某频率的正弦波状的输入加于喷嘴时,其输出量和输入量的振幅比和相移,称为频率特性或频率响应。这一特性即是喷嘴动态特性在实频域的表现形式,而通过拉普拉斯变换就可把流体力学方程转变成频率特性方程。根据喷嘴实际情况采用简化处理方法,可得出粘性流体动力学模型方程。

1　理论分析

对于直流喷嘴,在其通道中液体内压力(即压

强,本文仍采用习惯称法)波的波长远大于通道长

图1　液体直流喷嘴结构示意图

F ig .1　L iquid orifice injectors

度,即ΚµL ,可以不考虑流动参数沿喷嘴长度的分布情况,而按集中参数处理[1],如图1。由此得出液体速度振荡量与压降振荡量之间的传递函数0z 和相位角5z :

0z =

12 1-i ΞL u

1+

(ΞL u )

2(1)5z =arctan

Im 0z

R e 0z

=-arctan sh z

(2)

对于各种形式的离心喷嘴,其结构都可归结

为由下列3个部分组成:促使液体产生旋转的部分(切向进口或涡流器);使液体形成旋涡流的部分(旋流腔);使液流加速并形成锥形液膜的部分(喷口)。现代大推力氢氧火箭发动机采用的同轴

图2　离心喷嘴示意图

F ig .2　Centrifugal injectors

喷注器,有一种液氧喷嘴采用的结构为长喷口离心喷嘴,其典型结构如图2所示。其喷嘴各部分的传递函数分别为:

切向通道:0bx =1

2 1-i ΞL bx u bx 1+(ΞL bx u bx )2

(3)旋流腔:

0kc =8r m k (R e 8θkc +iIm 8θkc )

0kd =

8r m k

(R e 8θkd +iIm 8θkd )

(4)喷口:0c =(1-0)e -i ΞL c u c

(5)

式中:0为喷口对波的反射系数。

由此可得出喷嘴整体的传递函数:

05=Q ′Q ∃P ′∃P =R θ2

k

a

0c 0kc 0bx

20bx (0kc +0kd )+1

(6)

2　数学模型

2.1　直流喷嘴动力学数学模型

假设流体为轴对称的粘性无旋流,管横断面等压,略去重力影响,其支配方程为N 2S 方程和连续方程。采用如下的简化方法:运动方程中不考虑液体可压缩性对流速的影响,在连续方程中考虑液体可压缩性,并使用圆柱坐标系且略去微小项,可得出以下二维粘性流方程作为基本方程:

5u 5t =-15p x +Μ52u 5r

2+1r 5u

5r 1K e 5p t +5v r +v r +5u

x

=0

(7)

7

68第　6　期杨立军等:液体喷嘴动态特性数值模拟