基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙设计方法及隔板喷嘴与流程

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。

技术实现要素：

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sm为：

其中d为隔板喷嘴直径，b为相邻隔板喷嘴间隙，xm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：

其中和为隔板喷嘴前声波振幅，和为隔板喷嘴后声波振幅；则声波经隔板喷嘴作用后，声能耗散表达式为：

由方程(1)、(4)、(5)，可建立隔板喷嘴直径d、隔板喷嘴间隙b与声能耗散e的关系式。

3.计算不同隔板喷嘴间隙下的声能耗散时，设定火箭发动机工作在一定的工作频率、燃气温度条件下，根据给定的隔板喷嘴直径，改变隔板喷嘴间隙，进行声能耗散大小的计算。

4.还包括针对不同喷嘴直径，对计算得到的隔板喷嘴最佳间隙值进行修正；当选用的喷嘴直径增加时，隔板喷嘴最佳间隙呈现减小趋势，因此在火箭发动机隔板喷嘴设计时，当选用的喷嘴直径增大时，应相应减小相邻隔板喷嘴间隙，直到间隙为相应喷嘴直径下的最佳间隙。

5还包括针对火箭发动机不同的工作频率，对计算得到的隔板喷嘴最佳间隙值进行修正；当火箭发动机额定工作频率增加时，隔板喷嘴最佳间隙呈现减小趋势，因此在火箭发动机隔板喷嘴设计时，当额定工作频率增加时，应相应减小相邻隔板喷嘴间隙，直到间隙为相应工作频率下的最佳间隙。

6.还包括针对火箭发动机不同的燃气温度，对计算得到的隔板喷嘴最佳间隙值进行修正；当火箭发动机燃烧室燃气温度升高时，隔板喷嘴最佳间隙呈现增大趋势，因此在火箭发动机隔板喷嘴设计时，当推进剂燃气温度升高时，应相应增大相邻隔板喷嘴间隙，直到间隙为相应燃气温度下的最佳间隙。

7.一种根据上述设计方法设计的隔板喷嘴，所述隔板喷嘴由延伸到燃烧室的一系列喷嘴构成，所述喷嘴包括按一定排列方式排列的圆柱排，形成柱栅型吸声通道，其特征在于，相邻喷嘴间具有使声能耗散达到最大的最佳间隙。

本发明的有益效果是：能够设计出各类火箭发动机的隔板喷嘴最佳间隙，其方法简便快捷、成本低廉、可靠性高，可减少设计中的实验工作量，大大减少了研制周期。

附图说明

图1火箭发动机燃烧室隔板喷嘴示意图。

图2隔板喷嘴渐变截面通道模型。

图3基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙设计模型图。

图4隔板喷嘴间隙对声能耗散影响规律图。

图5喷嘴直径对隔板喷嘴最佳间隙的影响。

图6工作频率对隔板喷嘴最佳间隙的影响。

图7燃气温度对隔板喷嘴最佳间隙的影响。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图对本发明的具体实施方法作进一步说明。本实施例中，利用本发明的设计方法，用于液体火箭发动机中隔板喷嘴最佳间隙的设计，通过对不同隔板喷嘴间隙的实验结果对比，验证了本发明的有效性。具体实施方法说明如下：

火箭发动机隔板喷嘴中，起主要吸声作用的就是相邻喷嘴构成的缓变截面通道，如图2所示。由于问题的复杂性，将隔板喷嘴的柱栅型通道进行合理简化，可以将其简化为单个、两个、三个或多个渐变截面通道，本实施例中，仅考虑单个渐变截面通道。对于相邻喷嘴构成的单个渐变截面通道，目前仍没有一种合适的模型对其进行求解。本发明采用渐进逼近的方法，建立如图3所示的设计模型图，将单个渐变截面通道简化为若干相互连接的矩形等截面通道，通过阶跃条件，将相邻矩形等截面通道的声学系统联系起来，最终建立起隔板喷嘴间隙与声能耗散的关系式。

一种基于声能耗散的隔板喷嘴最佳间隙的设计方法，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间隙最佳间隙。

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sm为：

其中d为隔板喷嘴直径，b为相邻隔板喷嘴间隙，xm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：

其中和为隔板喷嘴前声波振幅，和为隔板喷嘴后声波振幅；则声波经隔板喷嘴作用后，声能耗散表达式为：

由方程(5)可知，声能耗散e与隔板喷嘴前后声波振幅和有关；由方程(4)可知，隔板喷嘴前后声波振幅和与各等截面通道间隙sm和sm+1有关；由方程(1)可知，各等截面通道间隙sm和sm+1与隔板喷嘴直径d、隔板喷嘴间隙b有关；同时由声波波数的表达式可知，能量耗散e与工作频率f和声波波速c有关；由此就建立了隔板喷嘴直径d、隔板喷嘴间隙b与声能耗散e的关系式。

计算不同隔板喷嘴间隙下的声能耗散时，设定的火箭发动机工作在一定的工作频率、燃气温度条件下，根据给定的隔板喷嘴直径，改变隔板喷嘴间隙，进行声能耗散大小的计算。

本实施例中，在常温常压下，选取工作频率f为400hz，隔板喷嘴直径d为10mm，改变相邻隔板喷嘴间隙b为0～0.5mm。通过隔板喷嘴间隙与声能耗散的表达式，即方程(5)，获得声能耗散随隔板喷嘴间隙的变化规律，如图4所示。图4给出了工作频率f为400hz，隔板喷嘴直径d为10mm时，声能耗散e随隔板喷嘴间隙b的变化规律。可以看出随着隔板喷嘴间隙的增加，声能耗散先增加后减小，极值点处的声能耗散最大，此时所对应的喷嘴间隙为隔板喷嘴最佳间隙。图4中实心点为本发明获得结果，空心点为实验获得结果，由于实验过程中难免出现系统的声能耗散，因此实验值略大于理论值。通过对不同间隙下实验结果对比，验证了本发明的有效性。

由于不同型号火箭发动机间存在差异，其在喷嘴型号(直径)选择、额定工作频率和燃烧室燃气温度均存在巨大差异。为满足各类火箭发动机隔板喷嘴最佳间隙的设计要求，需要对不同喷嘴直径、工作频率和燃气温度下，隔板喷嘴最佳间隙值进行修正。

图5给出了常温常压下工作频率f为400hz时，隔板喷嘴直径d分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm时，改变相邻隔板喷嘴间隙b为0～0.5mm，声能耗散随隔板喷嘴间隙的变化规律。可以看出随着喷嘴间隙的增加，声能耗散先增大后减小，极值点处所对应的隔板喷嘴间隙为最佳间隙。随着隔板喷嘴直径的增加，最佳隔板喷嘴间隙呈现减小趋势。因此在火箭发动机隔板喷嘴设计中，当选用的喷嘴直径增大时，应相应减小相邻隔板喷嘴间隙，直到间隙为相应喷嘴直径下的最佳间隙值。

图6给出了常温常压下隔板喷嘴直径d为10mm时，工作频率f分别为400hz、800hz、1200hz、1600hz和2000hz时，改变相邻隔板喷嘴间隙b为0～0.5mm，声能耗散随隔板喷嘴间隙的变化规律。可以看出随着隔板喷嘴间隙的增加，声能耗散先增大后减小，极值点处所对应的隔板喷嘴间隙为最佳间隙。随着工作频率的增加，最佳隔板喷嘴间隙呈现减小趋势。因此在火箭发动机隔板喷嘴设计中，当火箭发动机额定工作频率增加时，应相应减小相邻隔板喷嘴间隙，直到间隙为相应工作频率下的最佳间隙值。

图7给出了隔板喷嘴直径d为10mm，工作频率f为400hz时，燃气温度t分别为2800k、3000k、3200k、3400k、3600k和3800k时，改变相邻隔板喷嘴间隙b为0～0.02mm，声能耗散随隔板喷嘴间隙的变化规律。可以看出随着隔板喷嘴间隙的增加，声能耗散先增大后减小，极值点处所对应的隔板喷嘴间隙为最佳间隙。随着燃气温度的升高，最佳隔板喷嘴间隙呈现增大趋势。因此在火箭发动机隔板喷嘴设计中，当火箭发动机燃烧室燃气温度升高时，应相应增大相邻隔板喷嘴间隙，直到间隙为相应燃气温度下的最佳间隙值。

相应的，根据上述设计方法设计的隔板喷嘴，所述隔板喷嘴由延伸到燃烧室的一系列喷嘴构成，所述喷嘴包括按一定排列方式排列的圆柱排，形成柱栅型吸声通道；相邻喷嘴间具有使声能耗散达到最大的最佳间隙。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。