[发明专利]一种改进隔板喷嘴声能耗散的修型方法

说明书

本发明一种改进隔板喷嘴声能耗散的修型方法，隔板喷嘴由于热粘性效应能对火箭发动机燃烧室声能起耗散作用，从而有助于抑制不稳定燃烧，而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。本发明提出一种通过对隔板喷嘴外表面修型方法，铣平相邻喷嘴相对的部分圆柱面，从而增加接触面积。通过理论计算，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。

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，通过铣平相邻喷嘴相对的部分圆柱面，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

在液体火箭发动机工作过程中，燃烧室内极易发生燃烧不稳定问题。燃烧不稳定是指压力周期性脉动且脉动幅值超过燃烧室压力的5％，按照压力脉动的频域特性，燃烧不稳定可分为低频不稳定、中频不稳定和高频不稳定。

由于燃烧不稳定会给燃烧室带来结构性破坏，所以需要对燃烧不稳定进行抑制。在抑制燃烧室高频不稳定的被动控制方法中，隔板喷嘴是一种有效的方法，其机理是通过阻尼耗散作用，使得燃烧响应的能量无法维持压力振荡所需的能量。从液体火箭发动机研制经验看，通过在喷注面上安装径向隔板，可有效抑制高频的切向不稳定，安装毂隔板，可有效抑制高频的径向不稳定。

目前用于不稳定燃烧控制的隔板喷嘴主要为圆柱形，通过研究发现改变通道接触面能够改变声能耗散，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隔板喷嘴声能耗散的修型方法——铣平相邻喷嘴相对的部分圆柱面，通过增加微小间隙区域的接触面积，进而提高热粘性耗散效应。该发明通过理论模型计算，给出了该种修型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：

一种改进隔板喷嘴声能耗散的修型方法，其特征在于，对于不同铣平程度，如图1所示，改变声能耗散，实现不同的吸声效果。ξ为铣平程度，其代表了铣平部分所占的比重，其值越大，则铣去部分越多，它的定义为：

其中，R为圆柱半径，d为圆柱未被铣去部分的长度。

声能耗散的计算：

将隔板喷嘴模型简化为带有面积梯度的矩形狭缝管内声波传播模型。设有一平面声波在变截面矩形狭缝的管内传播，矩形狭缝高为2a、宽为2b,横截面积为2a×2b,其中a＞＞b,管内没有平均流动。假设管壁是刚性的，管壁附近的媒质质点粘附于管壁，速度为0，而离管壁越远，媒质质点受管壁的约束越小，速度越大，于是管中就产生速度梯度，各层媒质之间将产生相对运动，而媒质质点就因此受到粘滞力的作用。同样的，假设管壁是恒温的，管壁于媒质质点之间存在换热效应，而媒质质点就因此受到热传导的作用。

根据N-S方程的动量方程，由于粘滞力主要作用在截面方向，因此忽略粘性力在狭缝长度方向的作用，可得：

其中，ρ为密度，η为动力粘度，u为速度，y为狭缝宽度方向，i为虚数单位，ω为声波频率，p为压强，x为狭缝长度方向，下标0的参数代表平衡值，未标0的参数均为扰动参数。

同样的，忽略热传导在狭缝长度x方向的作用，可得能量方程：

其中，κ为热传导系数，T为燃气温度，C_p为定压比热。

速度和温度在横截面上的边界条件为，当y＝±b时，u＝0,T＝0，由此分别求出速度和温度在截面上的分布，然后在截面上取平均值：