[发明专利]一种改进声能耗散的加肋隔板喷嘴修型方法

说明书

本发明提出一种改进声能耗散的加肋隔板喷嘴修型方法，通过肋片增加接触面积。通过COMSOL仿真，证实了该发明的有效性，此发明适用于各类火箭发动机隔板喷嘴，为火箭发动机不稳定燃烧抑制提供有效手段。针对隔板喷嘴抑制火箭发动机燃烧不稳定问题，从声能耗散角度研究，隔板喷嘴热粘性耗散主要发生在相邻喷嘴间距小于热粘性边界层的地方。通过增加相邻喷嘴的外表面接触面积，则可以有效提高隔板喷嘴对声能的耗散。

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机燃烧室隔板喷嘴修型的方法，通过相邻喷嘴间的肋片，增加微小间隙区域的接触面积，进而提高热粘性耗散效应，达到增强抑制发动机不稳定燃烧的作用，主要应用于液体火箭发动机不稳定燃烧被动控制技术。

背景技术

燃烧不稳定问题一直是制约液体火箭发动机发展的世界性难题，在大多数液体火箭发动机型号的研制中，都出现过燃烧不稳定现象。声学不稳定是燃烧室内燃烧不稳定的一种形式，由于非定常燃烧热释放和燃烧室声学系统的耦合，声波持续获得能量，最终产生剧烈的压力振荡。

对于燃烧室内声学不稳定的抑制，隔板喷嘴是一种有效的手段。隔板喷嘴通过热粘性耗散增加阻尼，改变燃烧室声学特性，破坏振荡条件，从而达到抑制声学不稳定的效果。为了获得更好的吸声效果，需要对隔板喷嘴声学特性进行研究。

目前用于不稳定燃烧控制的隔板喷嘴主要为圆柱形，通过研究发现通过相邻隔板喷嘴间的肋片改变微小间隙区域的接触面积，能够改变声能耗散，进而提高热粘性耗散效应，达到增强抑制发动机不稳定燃烧的作用。

发明内容

针对上述背景，本发明提供一种改进声能耗散的加肋隔板喷嘴修型方法，通过肋片增加微小间隙区域的接触面积，进而提高热粘性耗散效应。通过COMSOL仿真，给出了该种方法中各种参数对声能耗散的影响规律，有助于指导采用了该种修型方法的火箭发动机的隔板喷嘴的设计。

本发明采用的技术方案如下：

一种改进声能耗散的加肋隔板喷嘴修型方法，其特征在于，改变肋片的宽度L₁和高度L₂，即可改变微小间隙区域的接触面积，从而改变声能耗散，实现不同的吸声效果。

采用COMSOL商用仿真软件，考虑了热粘性效应的影响，对加肋隔板喷嘴进行仿真。COMSOL对计算模型的控制方程进行计算，即可求得压强扰动等参数在空间的分布情况。控制方程和计算模型如下：

采用有限元方法对控制方程进行离散化，热粘性效应下，COMSOL给出连续方程：

其中，i为虚数单位，ω为声波频率，ρ为密度，u为速度，为哈密顿算子，下标0的参数代表平衡值，未标0的参数代表扰动值。

动量方程：

其中，上标τ意为矩阵的转置，p为压强，μ为动力粘度，μ_B为体积粘度，I为单位向量。

能量方程：

其中，C_p为定压比热，变量T为温度，α为热膨胀系数，κ为热传导系数。

状态方程：

ρ＝ρ₀(βp-αT)

其中，β为等温压缩率。

模型中采用结构化网格，如图2所示，考虑到计算资源和计算精度，最小网格设置为粘性边界层的1/3。由于本发明仅关注加肋通道的吸声机制，在进口处给定频率为f、幅值为1Pa的入射平面声波，通道后阻抗为Z＝ρc，c为声速，不考虑声波反射。