[发明专利]基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙设计方法及隔板喷嘴

说明书

本发明提供的一种基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙设计方法及隔板喷嘴，采用渐进逼近的方法，将相邻喷嘴间的缓变截面通道简化为若干相互连接的等截面通道，通过阶跃条件，将相邻等截面通道的声学系统联系起来，建立隔板喷嘴间隙与声能耗散的关系；计算不同隔板喷嘴间隙下的声能耗散，当声能耗散最大时，所对应的隔板喷嘴间隙即为隔板喷嘴最佳间隙。本发明的方法适用于各类火箭发动机隔板喷嘴最佳间隙的设计，方便快捷、成本低廉、可靠性高，可减少设计中的实验的工作量，大大减少了研制周期。本发明还提供采用上述设计方法设计的隔板喷嘴。

技术领域

本发明属于火箭发动机不稳定燃烧控制领域，涉及火箭发动机燃烧室隔板喷嘴，特别是涉及一种基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙设计方法及隔板喷嘴。

背景技术

液体火箭发动机在工作过程中，由于处在高温、高压的环境中，极易引起不稳定燃烧。不稳定燃烧会引起极高的燃烧速率以及传热效率，造成剧烈的振荡，导致喷注面板烧蚀，甚至发生爆炸，影响整个动力系统正常运行。其中破坏性最强的高频不稳定燃烧，是由燃料燃烧过程与燃烧室声学特性耦合而成，因此燃烧室声学特性是影响不稳定燃烧的重要环节。隔板喷嘴能改变燃烧室内声学特性，被广泛应用于抑制火箭发动机内不稳定燃烧。如图1所示，是火箭发动机燃烧室隔板喷嘴示意图。火箭发动机燃烧室头部安装用于推进剂雾化的喷注器(即喷嘴)，喷注器所构成的端面为喷注面板，隔板喷嘴由喷注面板上延伸到燃烧室的一系列喷嘴构成，沿径向分布的喷嘴称为径向隔板喷嘴，沿环向分布的喷嘴称为毂隔板喷嘴，径向隔板喷嘴和毂隔板喷嘴都是沿特定排列方式排列的圆柱排，形成柱栅型吸声通道。根据国内外研究发现，柱栅型通道中相邻柱间存在间隙相比于无间隙时，吸声效果更好，更有利于抑制不稳定燃烧，对不稳定燃烧抑制效果最好时的间隙称为最佳间隙。为了获得抑制不稳定燃烧的最好效果，必须对隔板喷嘴最佳间隙进行设计。但是，目前对于隔板喷嘴最佳间隙的设计至今仍没有一套完整有效的设计方法，更多的是依靠经验或反复实验得到最终设计结果。而火箭发动机工作环境(高温、高压)极其恶劣，对实验方法和操作人员的要求较苛刻，实验成本较高。因此急需一种方便快捷、成本低廉的隔板喷嘴最佳间隙的设计方法。

发明内容

针对上述背景中存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙的设计方法，适用于各类火箭发动机隔板喷嘴最佳间隙的设计，方便快捷、成本低廉、可靠性高，可减少设计中的实验的工作量，大大减少了研制周期。本发明还提供采用上述设计方法设计的隔板喷嘴。

本发明的技术方案如下：

1.一种基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙的设计方法，其特征在于，采用渐进逼近的方法，将相邻喷嘴间的缓变截面通道简化为若干相互连接的等截面通道，通过阶跃条件，将相邻等截面通道的声学系统联系起来，建立隔板喷嘴间隙与声能耗散的关系；计算不同隔板喷嘴间隙下的声能耗散，当声能耗散最大时，所对应的隔板喷嘴间隙即为隔板喷嘴最佳间隙。

2.其中，建立隔板喷嘴间隙与声能耗散关系的具体步骤如下：

通过渐进逼近方法获得的各等截面通道间隙s_m为：

其中D为隔板喷嘴直径，b为相邻隔板喷嘴间隙，x_m为各等截面通道的位置坐标；

相邻等截面通道处，利用压力守恒方程：

相邻等截面通道处，利用质量守恒方程：

方程(2)，(3)中，和为第m等截面通道声波振幅，和为第m+1等截面通道声波振幅，k＝ω/c为声波波数，ω＝2πf为角频率，f为工作频率，c为声波波速，Δx为各等截面通道的宽度；

对压力守恒方程和质量方守恒方程整理，可得：