CN106383972B - 一种火箭发动机推力室用集合器及其径向孔均流设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种火箭发动机推力室用集合器，包括集合器进口管路(1)、集合器腔(2)；集合器腔(2)为圆环形腔体，内环壁面沿周向均匀分布有n个直径不同的径向孔(3)；集合器进口管(1)位于集合器腔(2)外壁，与集合器(2)形成一体化结构。其径向孔均流设计方法利用仿真计算或实验获得优化后的各径向孔(3)流量分布，再次通过优化后的径向孔(3)孔直径与优化前各径向孔(3)流量之间的关系，进行第二次迭代优化，获得一组新的径向孔孔径分布，进行多次的迭代优化可不断提高优化效果。本发明直接通过优化集合器径向孔孔径，对集合器的流量分配进行优化，达到更好的均流效果。

Description

一种火箭发动机推力室用集合器及其径向孔均流设计方法
技术领域
本发明涉及一种集合器及其径向孔均流设计方法。
背景技术
火箭发动机推力室流路设计中常常采用集合器结构，用于周向流量的均分。而下游流路的结构设计中往往是默认周向流量均匀的情况下进行设计的，所以当周向流量分配不均时推力室局部会工作在非设计状态下。当偏离较大时会造成各种发动机故障，如推力室身部冷却夹套集合器径向孔流量分布不均匀度过大时，会造成部分冷却通道冷却能力不足，导致燃气侧内壁烧蚀，又如头部燃料或氧化剂的集合器径向孔流量分布不均匀度过大时，可能会造成喷注面局部混合比过高，对面板造成局部氧化烧蚀等故障。
对于集合器的均流设计中，以往多采取增加接合器管径或在集合器入口增加导流片等方法。这些方法都是通过改善集合器内流场来提高流量分配均匀度的，这样的设计存在针对性不够强，适应范围窄，均流效果一般，同时增加结构自重或结构复杂度等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种火箭发动机推力室用集合器及其径向孔均流设计方法，直接通过优化集合器径向孔孔径，对集合器的流量分配进行优化，达到更好的均流效果。
本发明所采用的技术方案是：一种火箭发动机推力室用集合器，包括集合器进口管路、集合器腔；集合器腔为圆环形腔体，内环壁面沿周向均匀分布有n个直径不同的径向孔；集合器进口管位于集合器腔外侧壁，与集合器形成一体化结构，n为正整数。
所述各径向孔的直径满足关系式
Figure BDA0001144439650000011
其中，
Figure BDA0001144439650000012
Figure BDA0001144439650000021
j为迭代次数，为正整数；i＝1,2,3,...,n；
Figure BDA0001144439650000022
为上一次迭代中获得的各径向孔流量值；di(j)为当前迭代中的各径向孔直径；d为各径向孔直径初始值；
Figure BDA0001144439650000023
为集合器进口管路的入口质量总流量。
一种火箭发动机推力室用集合器径向孔均流设计方法，包括步骤如下：
步骤一、对待优化的集合器进行数值仿真，根据待优化的集合器的各径向孔直径初始值d，集合器进口管路的入口质量总流量
Figure BDA00011444396500000211
，计算获得每个径向孔的流量初始值
Figure BDA0001144439650000024
其中，i＝1,2,3,...,n，n为径向孔的个数；
步骤二、根据当前迭代中的各径向孔直径di(j)与上一次迭代中获得的各径向孔流量值
Figure BDA0001144439650000025
满足的关系式
Figure BDA0001144439650000026
计算当前迭代中的各径向孔直径di(j)并通过数值仿真计算获得当前迭代中的各径向孔流量
Figure BDA0001144439650000027
其中，
Figure BDA0001144439650000028
j为迭代次数，为正整数，初值为1；
步骤三、j＝j+1；重复步骤二直至当前迭代中各径向孔流量值
Figure BDA0001144439650000029
的标准差比各径向孔的流量初始值
Figure BDA00011444396500000210
的标准差降低70％～95％时，结束迭代，获得最终的各径向孔直径。
所述步骤一或步骤二中对集合器的数值仿真方法的具体步骤如下：对集合器进行三维建模，建模区域包括集合器进口管路、集合器腔和径向孔包覆的流体域；对集合器的三维模型进行网格划分，对完成网格划分的集合器三维模型进行流场仿真计算，集合器进口管路的入口边界设置为质量流量入口，各径向孔的出口边界设置为压力出口，各径向孔的出口边界分别单独设置边界条件，采用k-ε双方程模型进行计算。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在一定流量下，相对均一径向孔孔径的集合器，本发明的径向孔流量更接近平均流量，用径向孔流量的标准差来量化对比均流效果，经数值仿真计算，一次优化后，流量的标准差可降低70～80％；多次迭代优化后，标准差可降低85％以上。
(2)本发明在原有集合器结构基础上达到了均流的效果；工艺可实现性较强，在原有加工工艺的基础上未增加其他特殊工艺；优化后对集合器的流阻影响可以忽略不计，采用径向孔孔径优化方法可以降低对集合器腔的当量直径的要求，从而达到简化集合器结构，降低集合器自重的效果。
附图说明
图1为典型集合器的结构；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为图2中的B-B剖视图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种火箭发动机推力室用集合器，由一段直的进口管路和一个环形管路相互贯通组成，集合器腔2为圆环形腔体，内环壁面沿周向均匀分布有径向孔3，如图3所示；集合器进口管1位于集合器腔2外壁，与集合器2形成一体化结构。环形管路内侧周向分布有n个直径不同的沿环形管路径向延伸的通孔，为径向孔3。流体从左侧进口-集合器进口管路1流入，后进入左侧环形管路-集合器腔2，进入环形管路后从两侧绕行，流体在绕行时不断地从径向孔3流入下游流路。各径向孔3的直径满足关系式
Figure BDA0001144439650000031
其中，
Figure BDA0001144439650000032
j为迭代次数，为正整数；i＝1,2,3,...,n；
Figure BDA0001144439650000033
为上一次迭代中获得的各径向孔3流量值；di(j)为当前迭代中的各径向孔3直径；d为各径向孔3直径初始值；
Figure BDA0001144439650000034
为集合器进口管路1的入口质量总流量。
在一定流量下，通过数值仿真或实验获得待优化集合器每个径向孔3的流量值，本发明获得了一个优化后的径向孔3孔直径与优化前各径向孔3流量之间的关系，通过此关系，可以利用优化前各径向孔3的流量分布，反算出优化后个径向孔3的孔径。
为提高优化效果，可以利用仿真计算或实验获得优化后的各径向孔3流量分布，再次通过优化后的径向孔3孔直径与优化前各径向孔3流量之间的关系，进行第二次迭代优化，获得一组新的径向孔孔径分布，进行多次的迭代优化可不断提高优化效果，但随着迭代次数增加，每次迭代较上一次优化的幅度会逐渐减小。
本发明的一种火箭发动机推力室用集合器的径向孔均流设计方法，包括步骤如下：
步骤一、对待优化的集合器进行数值仿真(或实验测量)，根据待优化的集合器的各径向孔3直径初始值d，集合器进口管路1的入口质量总流量
Figure BDA0001144439650000041
计算获得每个径向孔3的流量初始值
Figure BDA0001144439650000042
其中，i＝1,2,3,...,n，n为径向孔3的个数；
在数值仿真计算中计算域应至少包含集合器进口管路、集合器腔以及径向孔，另根据上下游的影响程度决定计算域是否向上下游扩大；数值仿真计算过程如下：将入口质量流量为m的集合器进行三维建模，建模区域包含集合器进口管路、集合器腔和径向孔包覆的流体域；三维建模后进行划分网格的前处理；将处理好的网格加载进CFD软件，进口管路得入口边界可设置为质量流量入口，各径向孔的出口边界可设置为压力出口，出口边界需分别单独设置边界条件利于从计算结果中提取各径向孔的流量数据。其他设置可根据实际工况进行确定，由于集合器腔入口处流体的湍流度较高，建议采用湍流模型进行计算，一般采用k-ε双方程模型即可。
步骤二、在径向孔孔径变化对集合器内压力分布影响可忽略的情况下，根据当前迭代中的各径向孔3直径di(j)与上一次迭代中获得的各径向孔3流量值
Figure BDA0001144439650000043
满足的关系式
Figure BDA0001144439650000044
计算当前迭代中的各径向孔3直径di(j)并通过数值仿真计算获得当前迭代中的各径向孔3流量
Figure BDA0001144439650000045
其中，
Figure BDA0001144439650000046
j为迭代次数，为正整数；
步骤三、重复步骤二直至当前迭代中各径向孔3流量值
Figure BDA0001144439650000047
的标准差比各径向孔3的流量初始值
Figure BDA0001144439650000051
的标准差降低70％～95％时，结束迭代，获得最终的各径向孔3直径。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种火箭发动机推力室用集合器径向孔均流设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、对待优化的集合器进行数值仿真，根据待优化的集合器的各径向孔(3)直径初始值d，集合器进口管路(1)的入口质量总流量计算获得每个径向孔(3)的流量初始值其中，i＝1,2,3,...,n，n为径向孔(3)的个数；
步骤二、根据当前迭代中的各径向孔(3)直径di(j)与上一次迭代中获得的各径向孔(3)流量值满足的关系式计算当前迭代中的各径向孔(3)直径di(j)并通过数值仿真计算获得当前迭代中的各径向孔(3)流量其中，j为迭代次数，为正整数，初值为1；
步骤三、j＝j+1；重复步骤二直至当前迭代中各径向孔(3)流量值的标准差比各径向孔(3)的流量初始值的标准差降低70％～95％时，结束迭代，获得最终的各径向孔(3)直径；
所述火箭发动机推力室用集合器，包括集合器进口管路(1)、集合器腔(2)；集合器腔(2)为圆环形腔体，内环壁面沿周向均匀分布有n个直径不同的径向孔(3)；集合器进口管路(1)位于集合器腔(2)外侧壁，与集合器腔(2)形成一体化结构，n为正整数；所述各径向孔(3)的直径满足关系式其中，
2.根据权利要求1所述的一种火箭发动机推力室用集合器径向孔均流设计方法，其特征在于：所述步骤一或步骤二中对集合器的数值仿真方法的具体步骤如下：对集合器进行三维建模，建模区域包括集合器进口管路(1)、集合器腔(2)和径向孔(3)包覆的流体域；对集合器的三维模型进行网格划分，对完成网格划分的集合器三维模型进行流场仿真计算，集合器进口管路(1)的入口边界设置为质量流量入口，各径向孔(3)的出口边界设置为压力出口，各径向孔(3)的出口边界分别单独设置边界条件，采用k-ε双方程模型进行计算。
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