基于多孔介质内燃烧的微小型化学推进系统的数值研究

论文摘要

为了发展具有高分辨率推力和高比冲的微小型化学推进系统，本文采用理论分析和数值模拟的方法，对微推进系统中单个部件内的流动与燃烧过程以及整个系统的燃烧推进过程进行了研究。全文包括四个方面的工作：微通道内低速气体流动和微喷管内超声速气体流动的数值研究、微腔体内预混燃烧的数值研究、惰性多孔介质内低速过滤燃烧的理论与数值研究以及微小型化学推进系统工作循环的数值模拟与性能分析。 采用不同的滑移连续介质模型，对微通道中低马赫数的气体流动进行了二维和三维数值模拟，研究了通道外形、进出口压比和出口压力等对流场的影响，并采用小扰动方法进行了相应的理论分析。详细讨论了微通道流的可压缩效应、稀薄效应、热蠕动效应、低雷诺数效应、三维效应以及不同滑移条件对计算结果的影响，利用实验结果和DSMC方法验证滑移连续介质模型在不同努森数区域的适用性，并总结出努森数和雷诺数是微通道流的特征参数。 基于无滑移和有滑移的连续介质模型，对微尺度拉伐尔喷管内的冷态流场进行了二维和三维数值模拟，利用DSMC方法验证微喷管流中的连续介质模型。重点分析微喷管流的低雷诺数效应和三维效应，并研究了喷管外形和工作条件等对流场结构和推进性能的影响。研究表明，雷诺数是表征微喷管推进性能的特征参数，喷管的微型化有助于实现高分辨率推力，而提高工作压力可以降低微喷管流的粘性损失。 采用良搅拌反应器模型和详细的化学反应机理（GRI-Mech 3.0），对微小空腔内气体预混燃烧过程进行了零维数值模拟，从微小空腔内稳定燃烧的临界半径、临界点火压力以及燃气流率范围着手，分析了燃气成分和环境热损等因素对微尺度燃烧的点火与熄火特性的影响。 基于一维瞬态反应流模型和一步总包反应机理，对惰性堆积床内低速过滤贫燃过程进行了理论研究，因次分析系统的热输运特性和特征尺度并推导出修正的单温度模型。采用准稳态模型的特征值方法，对充分发展后系统温度分布进行理论分析；基于准稳态的修正单温度模型，考虑变热物性和变输运参数以及热损效应，采用新型火焰区摄动理论和全域温度直接求解法，构建一套完善的耦合封闭的解析模型，并预测燃烧波波速、火焰传播速率和火焰最高温度等燃烧特性参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 微尺度流动概述
• 1.2.1 微尺度流动的分类
• 1.2.2 微通道内气体流动的研究
• 1.2.3 微喷管内气体流动的研究
• 1.3 微尺度燃烧概述
• 1.4 多孔介质内燃烧概述
• 1.4.1 输运机理、燃烧优点及应用前景
• 1.4.2 静态的气体过滤燃烧
• 1.4.3 驻定的气体过滤燃烧
• 1.4.4 非驻定的气体过滤燃烧
• 1.5 本文的工作
• 第二章 微通道内气体流动的理论分析与数值模拟
• 2.1 基于N-S方程的滑移连续介质模型
• 2.1.1 可压缩的N-S方程
• 2.1.2 滑移边界条件
• 2.2 微矩形通道内低速气体流动研究
• 2.2.1 基于小扰动分析的二维理论方法
• 2.2.2 基于连续介质假定的数值模型及算法实现
• 2.2.3 基于分子运动论的DSMC方法及算法实现
• 2.2.4 滑移模型的二维计算结果
• 2.2.5 滑移模型的二维理论结果分析
• 2.2.6 滑移模型的三维计算结果
• 2.2.7 跨努森数区域滑移模型的适用性分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 微尺度拉伐尔喷管内冷态流场及推进性能
• 3.1 控制方程及推进性能参数
• 3.1.1 控制方程及壁面边界条件
• 3.1.2 推进性能参数
• 3.2 一维绝热等熵流理论
• 3.2.1 一维绝热等熵喷管流特性
• 3.2.2 一维绝热等熵流喷管的推进性能计算
• 3.3 喷管算例设计及数值算法实现
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 连续介质模型与壁面边界条件的适用性分析
• 3.4.2 喷管的二维流场结构及低雷诺数效应
• 3.4.3 三维流场结构及端面效应
• 3.4.4 喷管推进性能分析与外形优化设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 微小空腔内气体预混燃烧
• 4.1 微尺度下零维定压预混燃烧模型
• 4.1.1 模型方程
• 4.1.2 数值算法实现
• 4.2 计算结果分析
• 4.2.1 临界腔体半径和临界点火压力分析
• 4.2.2 稳定流率范围和燃烧完全度分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 多孔介质内过滤燃烧的一维瞬态模型及准稳态理论分析
• 5.1 多孔介质内气体过滤燃烧的一维瞬态模型
• 5.1.1 多孔介质内的一维反应流模型
• 5.1.2 一维体积平均模型
• 5.1.3 理论分析的瞬态控制方程组
• 5.2 特征尺度的因次分析与修正的单温度模型
• 5.2.1 自由层流预混燃烧的特征尺度
• 5.2.2 堆积床内过滤燃烧的特征尺度
• 5.2.3 修正的单温度模型
• 5.2.4 充分发展后的准稳态模型方程
• 5.3 充分发展后温度分布的特征值方法
• 5.3.1 双温度模型的特征值方法
• 5.3.2 修正单温度模型的特征值方法
• 5.3.3 算例分析
• 5.4 充分发展后诸多燃烧特性的耦合分析方法
• 5.4.1 火焰区的摄动理论
• 5.4.2 全域温度的直接求解法
• 5.5 充分发展后燃烧特性的算例分析
• 5.5.1 耦合解析方法的计算实现
• 5.5.2 燃烧波波速的计算结果分析
• 5.5.3 火焰最高温度与火焰传播速率的计算结果分析
• 5.5.4 贫燃极限分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 多孔介质内过滤燃烧的瞬态理论分析
• 6.1 多孔介质内过滤燃烧的一维瞬态分析方法
• 6.1.1 无量纲的一维瞬态反应流控制方程
• 6.1.2 一维瞬态分析模型
• 6.1.3 基于基本解方法的一维瞬态分析
• 6.1.3 基于格林函数方法的一维瞬态分析
• 6.2 基于双温度模型的一维瞬态分析
• 6.3 基于修正单温度模型的一维瞬态分析
• 6.4 算例的一维瞬态理论分析
• 6.5 瞬态理论方法与准稳态理论方法的数值验证
• 6.5.1 一维准稳态计算模型
• 6.5.2 数值方法实现
• 6.5.3 理论分析方法的数值验证
• 6.6 本章小结
• 第七章 微小型化学推进器的性能分析
• 7.1 化学推进器工作循环的零维计算模型
• 7.1.1 无多孔介质的零维计算模型
• 7.1.2 有多孔介质的零维计算模型
• 7.1.3 稳态推进参数的计算
• 7.1.4 数值算法实现
• 7.2 计算结果分析
• 7.2.1 化学推进器的微尺度特性及工作条件的优化
• 7.2.2 引入多孔介质对稳态推进性能的影响
• 7.2.3 微小型化学推进器的启动特性
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 论文创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 博士期间发表的学术论文
• 致谢