温度边界条件对微喷管性能的影响.pdf

中国．丁程热物理学会 流体机械 学术会议论文 编垮：067046 温度边界条件对微喷管性能的影响★ 张先锋，刘明侯1，李蕾，汪东，陈义良 中国科学技术大学热科学与能源工程系(230027) 1 127 E-mail：mhliu@ustc．edu．cn电话：0551．3603 摘要：本文通过求解有滑移的Navier-Stokes方程对喷管的二维流场进行数值模拟，分析了不同的进 口温度及壁面换热条件对喷管性能的影响．研究结果表明随着进口温度的增加，推力、推力效率以及 比冲效率减小，而比冲不断增大，喷管的最优扩张角也随进口温度的升高稍微增大。给定了进口压力 和温度下，绝热壁面的推力效率最小。而壁面温度越低，推力效率越犬． 关键词：微喷管，滑移边界条件，推力效率，比冲效率 1．引言 随着微加工及其MEMS技术的发展，微小型卫星的研究成为当前航天领域发展的 一个重要方向，为实现其姿态控制、精确定位以及轨道机动等目标，需要微推进系统产 生微小的高分辨率的推力和脉冲冲量。在传统的推进系统中，以氮气为工质的微冷气推 进器因其结构简单被广泛研究，但因其比冲较低且需要大的储气箱，限制了应用范围， 为此考虑固体推进、液体推进以及蒸发式推进等来产生高温气体，提高比冲。其中．蔡 国飙、Alexeenko等11,21人分别采用热分解和加热方式对毫米量级的微推进器进行研究， 为更小尺度的推进系统提供了经验。在微推进系统中，由于尺寸很小，喷管内的可压缩 性和稀薄效应增强，面积体积比变大，造成喷管壁面附近换热增强，速度梯度变大，粘 性效应的影响增强，使其内部流场和性能较常规尺度下存在一些差异。研究表明，对于 轴对称微喷管Re1000时比冲效率随着雷诺数减小而迅速减小，边界层变厚，流场内无 核心流区域，同时随着喷管内气体温度的升高，壁面条件对推进性能的影响也更为显著 13-5】。 本文针对微米量级的喷管，考虑进口温度以及壁面换热条件等因素对喷管内的流 场结构以及其对推进性能的影响。 2。计算模型及方法 在微喷管中，由于尺度效应的影响，气体的稀薄特性显现出来。通常，用努森数表 征气体稀薄特性，其定义为：Kn=∥L，式中2是流体分子的平均自由程；三是系统的特 征尺寸。一般认为16l，努森数小丁0．001时，流动处丁．连续流动区，介于0．001和O．1时， ·本文得到国家自然科学摹金(No资助． 139 处于滑移流动区，而努森数在O．1和10之间时，流动处于过渡区，人丁二10时为自由分 子区，在连续区和滑移流动区，可以采用连续介质假设来描述，在对于白由分子区，要 采用分子运动理论来描述。 在努森数不是很大时，气体流动满足连续介质假设，其通过求解Navier-Stokes方程 米获得相应的流场的各个物理量。由于本文各个算例的雷诺数均低于1000，采用层流模 型即可，在处理壁面边界条件时，考虑了壁面滑移现象对喷管性能的影响。对丁二理想气 体，根据Maxwell的滑移理论。同时考虑由温度梯度的影响，速度一阶滑移边界条件为 16J： 旷”警力(考)，+43啾／z(a姒T、l(1) 瓦小等(剖鲁(等]．『 (2) 其中，x和Y分别为流动方向和与之垂直方向，P和∥分别为气体的密度和粘性，“和r 分别表示速度和温度，下标g和W分别表示靠近壁面处的和壁面处气体的数值。)，为气 体的比热比，尸，为Prandfl常数。两巩和ur分别为切向动量调节系数和热调节系数。 分子运动理论采用Boltzmann方程来描述，其可以通过DSMC方法来进行模拟。 DSMCl7】即直接模拟蒙特卡罗，其通过对一些模拟分子的采用近似连续的速度分布函数 的随机抽样来求解Boltzmann方程，从分子运动的机理着手，用有限个模拟分子替代大 量的真实的气体分子，来模拟气体的宏观运动。在本文中，分子间碰撞及能量分配模型 但因其计算量很大，在一定程度上限制了其在连续流动区域的使用。 为了