留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

喷嘴式隔板与再生冷却肋片隔板对高频燃烧不稳定抑制效果的数值对比

徐伯起 郭康康 任永杰 仝毅恒 聂万胜 黄卫东

徐伯起, 郭康康, 任永杰, 等. 喷嘴式隔板与再生冷却肋片隔板对高频燃烧不稳定抑制效果的数值对比[J]. 航空动力学报, 2023, 38(12):2948-2956 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220098
引用本文: 徐伯起, 郭康康, 任永杰, 等. 喷嘴式隔板与再生冷却肋片隔板对高频燃烧不稳定抑制效果的数值对比[J]. 航空动力学报, 2023, 38(12):2948-2956 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220098
XU Boqi, GUO Kangkang, REN Yongjie, et al. Numerical comparative analysis of suppression effect of nozzlebaffle and regenerative cooling fin baffle on high-frequency unstable combustion[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(12):2948-2956 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220098
Citation: XU Boqi, GUO Kangkang, REN Yongjie, et al. Numerical comparative analysis of suppression effect of nozzlebaffle and regenerative cooling fin baffle on high-frequency unstable combustion[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(12):2948-2956 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220098

喷嘴式隔板与再生冷却肋片隔板对高频燃烧不稳定抑制效果的数值对比

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220098
基金项目: 国家自然科学基金项目青年基金(12002386)
详细信息
    作者简介:

    徐伯起(1996-),男,博士生,主要从事液体火箭发动机燃烧不稳定方面的研究

    通讯作者:

    郭康康(1991-),男,博士生,主要从事液体火箭发动机燃烧不稳定方面的研究。E-mail:guokangkang@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V434+.13

Numerical comparative analysis of suppression effect of nozzlebaffle and regenerative cooling fin baffle on high-frequency unstable combustion

  • 摘要:

    基于三维URANS(unsteady reynolds-averaged Navier-Stokes)模型对全尺寸液氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定开展了仿真计算。研究了3种隔板对高频切向燃烧不稳定的抑制效果,发现当隔板长度为30 mm时,喷嘴式隔板能有效抑制燃烧不稳定,而两种再生冷却肋片隔板未能完全抑制燃烧不稳定,增加隔板长度到50 mm后,燃烧趋于稳定。结果表明:较短隔板不能完全包络化学反应区域,推进剂纵向分布变化对燃烧不稳定的抑制作用相对较小;隔板增长后,能有效分割燃烧室头部化学反应区域,提升了燃烧稳定性裕度;喷嘴式隔板能抑制切向燃烧不稳定的机理在于隔板喷嘴壁面上存在一个大黏性、大剪切力的黏性影响区。研究结果可为液体火箭发动机隔板设计提供一定指导。

     

  • 图 1  全尺寸发动机网格

    Figure 1.  Full-scale engine grid

    图 2  观测点处压力-时间曲线

    Figure 2.  Pressure-time traces at probe

    图 3  燃烧不稳定4个阶段压力-释热振荡关系

    Figure 3.  Pressure-heat release oscillation of unstable combustion in four-stage

    图 4  观测点压力频谱

    Figure 4.  Frequency spectrum at probe

    图 5  半个周期内截面x=15 mm上的流场参数变化云图

    Figure 5.  Cloud map of flow field parameter change on section x=15 mm in half cycle

    图 6  3种隔板构型

    Figure 6.  Three baffle configurations

    图 7  Case 1、case 4和case 5的压力变化过程

    Figure 7.  Pressure change history of case 1, case 4 and case 5

    图 8  Case 2的流场释热分布

    Figure 8.  Heat release distribution of flow field in case 2

    图 9  Case 3的流场释热分布

    Figure 9.  Heat release distribution of flow field in case 3

    图 10  Case 4、case 5在轴向截面反应释热分布

    Figure 10.  Heat release distribution of case 4 and case 5 in axial section

    图 11  Case 1在x=15 mm截面的切向速度分布云图

    Figure 11.  Tangential velocity distribution cloud diagram of case 1 on x=15 mm section

    图 12  隔板喷嘴壁面湍流动能耗散率分布及局部放大图

    Figure 12.  Distribution of turbulent kinetic energy dissipation rate on the wall of the baffle nozzle and partial magnification

    表  1  全尺寸发动机网格边界条件

    Table  1.   Full-scale engine mesh boundary conditions

    编号名称边界条件
    1喷嘴质量流量入口
    2喷注面板无滑移绝热壁面
    3发动机侧壁面无滑移绝热壁面
    4喷管出口压力出口
    下载: 导出CSV

    表  2  5个算例下的隔板类型和长度

    Table  2.   Baffle type and length for five studies

    算例隔板类型隔板长度/mm
    Case 1Baffle 130
    Case 2Baffle 230
    Case 3Baffle 330
    Case 4Baffle 250
    Case 5Baffle 350
    下载: 导出CSV

    表  3  Case 2和case 3计算结果对比

    Table  3.   Comparison of results between case 2 and case 3

    算例压力振幅
    Δp/MPa
    压力振幅占比
    平均室压(Δp/p)/%
    振荡主频
    f0/Hz
    Case 25.6943.23420
    Case 35.7843.93475
    下载: 导出CSV
  • [1] 郭康康. 液氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性数值研究[D]. 北京: 航天工程大学, 2018.

    GUO Kangkang. Numerical investigation of high frequency combustion instability LOx/kero liquid rocket engine[D]. Beijing: University of Aeronautics and Astronautics, 2018. (in Chinese)
    [2] 聂万胜, 丰松江. 液体火箭发动机燃烧动力学模型与数值计算[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011.
    [3] 汪广旭,谭永华,陈建华,等. 液体火箭发动机非稳态燃烧过程对其稳定性的影响[J]. 航空动力学报,2019,34(4): 929-936. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2019.04.022

    WANG Guangxu,TAN Yonghua,CHEN Jianhua,et al. Influence of liquid rocket engine unsteady combustion process on its stability[J]. Journal of Aerospace Power,2019,34(4): 929-936. (in Chinese) doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2019.04.022
    [4] 董蒙,谭永华,邢理想,等. 液体火箭发动机供应系统频率特性[J]. 航空动力学报,2023,38(1): 230-239. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210363

    DONG Meng,TAN Yonghua,XING Lixiang,et al. Frequency characteristics of liquid rocket engine supply system[J]. Journal of Aerospace Power,2023,38(1): 230-239. (in Chinese) doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210363
    [5] GUO K,REN Y,CHEN P,et al. Analysis of spontaneous longitudinal combustion instability in an O2/CH4 single-injector rocket combustor[J]. Aerospace Science and Technology,2021,119: 1270-9638.
    [6] 杨V, 安德松W E. 液体火箭发动机燃烧不稳定性[M]. 张宝炯, 洪鑫, 陈杰, 等, 译. 北京: 科学出版社, 2001.
    [7] 马列波,聂万胜. 隔板片数量对液体火箭发动机燃烧不稳定性的影响[J]. 导弹与航天运载技术,2020(6): 27-32. doi: 10.7654/j.issn.1004-7182.20200606

    MA Liebo,NIE Wansheng. The effect of the number of separators on the combustion instability of a liquid rocket engine[J]. Missile and Space Vehicle Technology,2020(6): 27-32. (in Chinese) doi: 10.7654/j.issn.1004-7182.20200606
    [8] JOSEGPH A D, SANTIAGO E P, JOHN M Q. Baffle blade acoustic damping[R]. AIAA 2021-3573, 2021
    [9] GUO K K, NIE W S, LIU Y, et al. Numerical simulation of damping capacity between injector formed baffle and normal blade baffle in a kero/LOX liquid rocket engine[C]//Proceedings of 2017 International Conference on Advances in Materials, Machinery, Electrical Engineering (AMMEE 2017). Amsterdam: Atlantis Press, 2017, 576-585.
    [10] 刘旺,李敬轩,杨立军. 隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究[J]. 推进技术,2019,40(6): 1348-1353. doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.180362

    LIU Wang,LI Jingxuan,YANG Lijun. Research on the effect of diaphragm nozzle on tangential acoustic mode of combustion chamber[J]. Journal of Propulsion Technology,2019,40(6): 1348-1353. (in Chinese) doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.180362
    [11] 高得昆, 覃建秀, 张会强. 具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究[J/OL]. [2022-03-02]. https://kns-cnki-net-s.nudtproxy.yitlink.com:443/kcms/detail/11.1813.V.20211210.2314.007.html.

    GAO Dekun, QIN Jianxiu, ZHANG Huiqiang. Research on pressure oscillation and acoustic characteristics of liquid rocket engine combustion chamber with gas-liquid coaxial nozzle[J/OL]. [2022-03-02]. https://kns-cnki-net-s.nudtproxy.yitlink.com:443/kcms/detail/11.18 13. V.20211210.2314.007.html. (in Chinese)
    [12] 冯伟,聂万胜,李斌,等. 模型燃烧室内不稳定燃烧发展过程的数值分析[J]. 北京航空航天大学学报,2016,42(6): 1195-1202. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0457

    FENG Wei,NIE Wansheng,LI Bin,et al. Numerical analysis of unstable combustion development in a model combustion chamber[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2016,42(6): 1195-1202. (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0457
    [13] 庄逢辰. 液体火箭发动机喷雾燃烧的理论、模型及应用[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 1995.
    [14] MOUKALLED F, MANGANI L, DARWISH M. The finite volume method in computational fluid dynamics: an advanced introduction with OpenFOAM and Matlab[M]. New York: Springer Publishing Company, Incorporated, 2015.
    [15] GUO Kangkang, XU Boqi, REN Yongjie, et al. Analysis of tangential combustion instability modes in a LOx/kerosene liquid rocket engine based on OpenFOAM[J/OL]. [2022-03-02].https: // www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2021.810439.
    [16] 冯伟. 液体火箭发动机高频燃烧不稳定性研究[D]. 北京: 装备学院, 2016.

    FENG Wei. Research on high frequency combustion instability of liquid rocket engine[D]. Beijing: Equipment College, 2016. (in Chinese)
    [17] 蔡国飙, 李家文, 田爱梅. 液体火箭发动机设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2011.
    [18] PARK I S,SOHN C H,HONG J K. Acoustic damping enhanced by gaps in baffled injectors in an acoustic chamber[J]. Journal of Sound & Vibration,2011,330(12): 2747-2757.
    [19] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2003.
  • 加载中
图(12) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  53
  • HTML浏览量:  29
  • PDF量:  8
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-02
  • 网络出版日期:  2023-03-17

目录

    /

    返回文章
    返回