基于旋拧数优化的加热器喷嘴制造技术

本发明专利技术涉及航天器地面热试验领域，公开了一种基于旋拧数优化的加热器喷嘴，包括：内芯、外芯、喷嘴固壁和多个旋拧进气口；其中，内、外芯及旋拧进气口均为中空管道状；内芯为燃料通道，外芯为助燃剂通道，内芯套设在外芯的管道内，喷嘴固壁设置在外芯的顶部外围，多个旋拧进气口均匀设置在外芯底部；每个旋拧进气口与外芯呈切向设置并与外芯的管道连通；内芯的内径在2mm以下，旋拧进气口产生的旋拧数为0.5-0.78。本发明专利技术提供了安全可靠的加热器喷嘴，可有效降低火焰对喷嘴的传热，使得加热器火焰燃烧时喷嘴固壁的温度可始终保持在安全值范围内，同时又可提高燃料出口速度增加其与空气流的卷吸混合，有助于增强燃料混合和燃烧效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天器地面热试验领域，具体涉及一种基于旋拧数优化的加热器喷嘴。
技术介绍
航天器地面试验是在地面模拟环境条件下验证航天器各种性能与功能的试验，在航天器正式在轨运行之前进行全面的地面试验可以以极低的成本检验航天器的性能、寿命和可靠性，地面试验大幅提高了航天器运行的成功率，保障了设备和人员安全。其中，当前的航空发动机地面试验中，一般采用加热器预加热方式对燃料供给系统的燃料进行加热。现有技术中，加热器喷嘴一般采用内外两个芯管分别提供燃料和空气，典型的设计方案中，内芯燃料出口直径0.5mm，外芯空气出口直径8mm，喷嘴出口处壁厚0.75mm。为进一步增强空气与燃料的混合燃烧效率，内芯空气入口通常为设置在底部的多个切向小孔，利用空气从切向进入产生的旋拧数实现空气与燃料的充分混合。但现有技术的喷嘴进气旋拧数的设定未充分考虑喷嘴的结构和耐热能力，现有旋拧数使得火焰锥状扩张角度过大，以至于喷嘴外侧距离火焰锋面过近，这通常会导致喷嘴被烧毁。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何实现具有安全可靠的旋拧数的加热器喷嘴。为解决该问题，本专利技术提供了一种基于旋拧数优化的加热器喷嘴，包括：内芯、外芯、喷嘴固壁和多个旋拧进气口；其中，所述内、外芯及旋拧进气口均为中空管道状；所述内芯为燃料通道，所述外芯为助燃剂通道，所述内芯套设在所述外芯的管道内，所述喷嘴固壁设置在所述外芯的顶部外围，所述多个旋拧进气口均匀设置在所述外芯底部；每个所述旋拧进气口与所述外芯呈切向设置并与所述外芯的管道连通；所述内芯的内径在2mm以下，所述旋拧进气口产生的旋拧数为0.5-0.78。优选地，所述燃料为煤油、氢气或丁烷，所述助燃剂为空气或氧气。优选地，所述旋拧进气口产生的旋拧数由所述助燃剂进气的平均切向速度与轴向速度的比值决定。在本专利技术的一个方面，当所述燃料为煤油时，所述内芯的壁厚为0.8mm，所述外芯的内径为7mm。优选地，所述内芯的内径在1mm以下。优选地，所述内芯的内径为0.5-0.8mm。优选地，所述旋拧进气口的切线距离为1.13-1.17mm。在本专利技术的另一个方面，当所述燃料为氢气时，所述内芯的壁厚为1.125mm，所述外芯的内径为7mm。优选地，所述内芯的内径为1.75mm。优选地，所述旋拧进气口的切线距离为1.375mm。与现有技术相比，本专利技术的技术方案提供了安全可靠的加热器喷嘴，可有效降低火焰对喷嘴的传热，使得加热器火焰燃烧时喷嘴固壁的温度可始终保持在安全值范围内，同时又可提高燃料出口速度增加其与空气流的卷吸混合，有助于增强燃料混合和燃烧效率。附图说明图1为本专利技术的一个实施例中加热器喷嘴的结构示意图；图2a-2d分别为旋拧数为0时，火焰中心剖面非稳态时均温度场、速度值场，三维喷嘴火焰区温度分布和三维固壁温度分布；图3a-3d分别为旋拧数为0.5S*时，火焰中心剖面非稳态时均温度场、速度值场，三维喷嘴火焰区温度分布和三维固壁温度分布；图4a-4d分别为旋拧数为0.75S*时，火焰中心剖面非稳态时均温度场、速度值场，三维喷嘴火焰区温度分布和三维固壁温度分布；图5a-5d分别为旋拧数为S*时，火焰中心剖面非稳态时均温度场、速度值场，三维喷嘴火焰区温度分布和三维固壁温度分布；图6a-6c分别为案例III对应的瞬态温度、速度和燃烧产物浓度场示意图；图7a-7c分别为案例IV对应的瞬态温度、速度和燃烧产物浓度场示意图；图8a-8c分别为案例V对应的瞬态温度、速度和燃烧产物浓度场示意图；图9为旋拧进气口处喷嘴的剖面结构图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本专利技术的较佳实施方式，所述描述是以说明本专利技术的一般原则为目的，并非用以限定本专利技术的范围。本专利技术的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。现有技术的喷嘴进气旋拧数完全根据主观经验设定，在实际使用过程中往往会因不匹配喷嘴的尺寸结构而导致喷嘴烧毁。本专利技术提供了一种优化了旋拧数的加热器喷嘴，如图1所示，该加热器喷嘴包括：内芯、外芯、喷嘴固壁和多个旋拧进气口(优选为6个)；其中，所述内、外芯及旋拧进气口均为中空管道状，所述内芯为燃料通道，所述外芯为助燃剂通道，所述内芯套设在所述外芯的管道内，所述喷嘴固壁设置在所述外芯的顶部外围，所述多个旋拧进气口均匀设置在所述外芯底部，每个所述旋拧进气口与所述外芯呈切向设置并与所述外芯的管道连通，所述内芯的内径在2mm以下，所述旋拧进气口产生的旋拧数为0.5-0.78。更进一步地，旋拧数定义为：其中，u为轴向速度(m/s)，w为切向速度(m/s)，为平均切向速度(m/s)，ρ为密度(kg/m3)，r为径向距离(m)，R为喷口直径(m)。为进一步验证旋拧数对喷嘴的影响，本专利技术中通过物理模型来模拟多种情况下以不同旋拧数加热时喷嘴的受热情况。验证试验中采用两个模拟方案：方案I中拟通过初步计算考察不同旋拧数对喷嘴固壁传热的影响。计算采用旋涡主导的RNGk-e湍流模型和基于平衡态组分的Pre-PDF燃烧模型，以较好的捕捉旋拧数对三维瞬态流场的影响。计算假设不可压缩流体，即流体密度仅取决于温度。控制方程求解采用基于SIMPLE算法的分离式压力迭代求解器。模拟方案II中为了考察不同喷嘴形状对火焰结构的影响，流体计算进一步采用可压缩流体假设，即流体密度变化按照理性气体定律同时依赖于温度和瞬态压力。可压缩流动求解采用基于Roe-FDS通量差分分离方法的密度求解器。湍流模型依然为RNGk-e模型，燃燃模型为基于丁烷/氧气单步全局机理的涡耗散模型(EDM)。辐射模型为离散坐标模型(DOM)，其中气体吸收系数基于CO2和H2O浓度采用描述非灰气体辐射特性的灰气体加权和模型(WSGGM)计算。流固耦合计算基于伪瞬态技术(pseudotransient)分别对流体传热传质和固体传热采用不同的特征时间步计算，其中固体传热的时间步远大于流体流动时间步。动量方程空间离散采用二阶迎风格式，湍动能、耗散率和辐射传热方程采用一阶迎风格式，时间离散采用隐式格式稳态计算。计算区域包括完整的喷嘴和允许湍流火焰充分发展的自由卷吸区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于旋拧数优化的加热器喷嘴，其特征在于，加热器喷嘴包括：内芯、外芯、喷嘴固壁和多个旋拧进气口；其中，所述内、外芯及旋拧进气口均为中空管道状；所述内芯为燃料通道，所述外芯为助燃剂通道，所述内芯套设在所述外芯的管道内，所述喷嘴固壁设置在所述外芯的顶部外围，所述多个旋拧进气口均匀设置在所述外芯底部；每个所述旋拧进气口与所述外芯呈切向设置并与所述外芯的管道连通；所述内芯的内径在2mm以下，所述旋拧进气口产生的旋拧数为0.5‑0.78。

【技术特征摘要】
1.一种基于旋拧数优化的加热器喷嘴，其特征在于，加热器喷嘴包括：
内芯、外芯、喷嘴固壁和多个旋拧进气口；其中，
所述内、外芯及旋拧进气口均为中空管道状；
所述内芯为燃料通道，所述外芯为助燃剂通道，所述内芯套设在所述外
芯的管道内，所述喷嘴固壁设置在所述外芯的顶部外围，所述多个旋拧进气
口均匀设置在所述外芯底部；
每个所述旋拧进气口与所述外芯呈切向设置并与所述外芯的管道连通；
所述内芯的内径在2mm以下，所述旋拧进气口产生的旋拧数为0.5-0.78。
2.如权利要求1所述的加热器喷嘴，其特征在于，所述燃料为煤油、氢
气或丁烷，所述助燃剂为空气或氧气。
3.如权利要求1所述的加热器喷嘴，其特征在于，所述旋拧进气口产生
的旋拧数由所述助燃剂进气的平均切向速度与轴向速度的比值决定。
4.如权利要求2所述的加热器...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚卫，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11