10N喷注器制造误差对其特性的影响研究

申 请 上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文10N 喷 注 器 制 造 误 差 对 其 特 性 的 影 响 研 究院 系 ： 机 械 与 动 力 工 程 学 院工 程 领 域 ： 机 械 工 程交 大 导 师 ： 施 光 林企 业 导 师 ： 雷 新 塘工 程 硕 士 ： 黄 晓 宇副 教 授高 级 工 程 师学 号 ： 1120212014上 海 交 通 大 学 机 械 与 动 力 工 程 学 院2015 年 7 月Thesis Submitted to Shanghai Jiao Tong Universityfor the Degree of Engineering MasterSTUDY OF 10N INJECTOR SPRAY CHARACTERISTICINFLUENCE BY MANUFACTURING ERRORM.D. Candidate： Huang XiaoyuSupervisor（ I）： Shi GuanglinSupervisor（ II）： Lei XintangSpeciality： Mechanical EngineeringSchool of Mechanical EngineeringShanghai Jiaotong UniversityShanghai,P.R.ChinaJuly, 2015上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 摘 要10N 喷 注 器 制 造 误 差 对 其 特 性 的 影 响 研 究摘 要承 担 10N 喷 注 器 的 制 造 任 务 以 来 , 由 于 造 误 差 控 制 不 到 位 ， 产 品 流 量 和 雾 化 性 能始 终 不 稳 定 、 一 致 性 差 ， 成 为 制 约 型 号 任 务 的 瓶 颈 ， 因 此 为 提 高 产 品 性 能 及 合 格 率 ，开 展 制 造 误 差 对 产 品 性 能 的 影 响 研 究 。 10N 喷 注 器 是 确 保 卫 星 在 轨 运 行 轨 道 以 及 姿 态的 保 持 和 调 整 的 关 键 部 件 ， 通 过 本 课 题 研 究 对 于 提 高 卫 星 姿 态 控 制 精 确 和 运 行 寿 命 、降 低 产 品 制 造 成 本 、 缩 短 同 类 产 品 开 发 周 期 具 有 重 要 意 义 。 本 文 主 要 研 究 内 容 包 括 影响 产 品 性 能 的 主 要 制 造 误 差 因 素 ， 流 场 模 型 的 建 立 及 其 网 格 划 分 ， 流 体 数 值 模 拟 相 关模 型 及 算 法 的 确 定 以 及 主 要 制 造 误 差 对 产 品 性 能 的 影 响 程 度 。 具 体 研 究 工 作 如 下 ：通 过 对 工 作 原 理 、 结 构 以 及 制 造 工 艺 对 产 品 特 性 的 影 响 分 析 ， 确 定 了 螺 旋 槽 、 径向 及 轴 向 间 隙 、 喷 口 尺 寸 等 因 素 的 制 造 误 差 作 为 主 要 研 究 对 象 。在 流 体 力 学 相 关 理 论 基 础 上 ， 研 究 确 定 了 RNG k 湍 流 模 型 和 VOF 多 相 流 模型 ， 并 建 立 了 10N 喷 注 器 的 内 、 外 喷 嘴 流 场 模 型 。通 过 10N 喷 注 器 内 、 外 喷 嘴 的 雾 化 过 程 进 行 数 值 模 拟 计 算 ， 掌 握 了 内 部 流 动 以及 外 部 初 始 雾 化 的 详 细 数 据 ， 得 出 了 制 造 误 差 对 流 量 和 雾 化 角 的 影 响 程 度 。搭 建 了 专 用 雾 化 试 验 平 台 ， 在 数 值 模 拟 的 基 础 上 进 一 步 开 展 雾 化 试 验 ， 获 得 了 流量 、 雾 化 角 及 产 品 流 量 特 性 曲 线 相 关 数 据 ， 并 最 终 确 定 了 10N 喷 注 器 关 键 结 构 尺 寸制 造 误 差 的 尺 寸 控 制 范 围 。通 过 本 课 题 研 究 ， 按 照 研 究 确 定 的 10N 喷 注 器 关 键 尺 寸 及 公 差 进 行 生 产 ， 产 品合 格 率 显 著 提 高 ， 降 低 了 制 造 成 本 ， 缩 短 了 生 产 周 期 ， 并 为 后 续 新 型 号 喷 注 器 的 研 制打 下 了 良 好 基 础 。关 键 词 ： 喷 注 器 ， 离 心 式 喷 嘴 ， 雾 化 ， 两 相 流 ， 数 值 模 拟I上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 ABSTRACTSTUDY OF 10N INJECTOR SPRAY CHARACTERISTICINFLUENCE BY MANUFACTURING ERRORABSTRACTDue to manufacturing error control was not in place, 10N injector spray characteristicperformance was unstable, and the consistency was poor. Therefore, research was carriedout on the influence of the manufacturing error on the spray performance, in order toimprove the product performance and qualify. 10N injector is the key components toensure that the satellite can maintain and adjust its orbit and attitude. The research isimportant to improve the satellite attitude control precision and service life, reducemanufacturing cost, and it is important to shorten the product development cycle. The mainresearch contents of this paper include the mainly manufacturing error factors influencedthe product, establish the flow model, and the degree of influence of manufacturing errorson spray performance. The main research work of this paper is as follows:Through the analysis of the working principle, structure and manufacture process onthe properties, the main research objects were determined to the spiral groove, radial andaxial clearance, nozzle size factors of manufacturing error as.Based on the theory of fluid mechanics, the RNG k turbulence model and VOFmultiphase flow model were studied, and the internal and external nozzle flow field modelof 10N injector was established.Through the numerical simulation calculation of inside and outside nozzle sprayprocess, the detailed data of internal flow and external initial spray was mastered, thedegree of influence of manufacturing errors on the flow rate and spray angle wereobtained.Based on the special spray test equipment, the spray test was carried out. Flow rate,angle and flow rate characteristic curve data were obtained, and the key structuredimensions and manufacturing error of 10N injector were determined.Through this research, 10N injector qualified rate of products have been significantlyimproved and the production cycle have been shortened.KEY WORDS: injector, swirl nozzle, spray, two-phase flow, numerical simulationII上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 目 录目 录摘 要 . IABSTRACT II目 录 . III第 一 章 绪 论 11.1 课 题 的 背 景 及 研 究 意 义 11.1.1 课 题 背 景 .11.1.2 课 题 研 究 意 义 .21.2 国 内 外 研 究 现 状 41.2.1 喷 嘴 设 计 理 论 研 究 .41.2.2 喷 嘴 雾 化 理 论 研 究 .51.2.3 喷 嘴 雾 化 数 值 模 拟 研 究 .51.3 研 究 内 容 和 方 法 6第 二 章 喷 注 器 原 理 、 结 构 与 特 性 分 析 82.1 喷 注 器 工 作 原 理 82.2 喷 注 器 结 构 92.3 喷 注 器 特 性 分 析 112.3.1 特 性 指 标 . 112.3.2 特 性 影 响 因 素 . 112.3.3 理 论 分 析 .142.4 本 章 小 结 19第 三 章 喷 注 器 CFD 模 型 建 模 203.1 流 体 力 学 理 论 基 础 203.1.1 连 续 性 方 程 .203.1.2 动 量 守 恒 方 程 .203.1.3 湍 流 模 型 .223.1.4 多 相 流 模 型 .243.2 建 模 253.2.1 建 模 方 案 .253.2.2 流 场 建 模 .263.3 网 格 划 分 273.4 本 章 小 结 29第 四 章 数 值 模 拟 计 算 与 结 果 分 析 30III上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 目 录4.1 数 值 模 拟 计 算 304.1.1 边 界 条 件 设 置 .304.1.2 求 解 方 法 设 置 .304.2 内 喷 嘴 数 值 模 拟 334.2.1 数 值 模 拟 结 果 .334.2.2 数 值 分 析 .354.3 外 喷 嘴 数 值 模 拟 414.3.1 数 值 模 拟 结 果 .414.3.2 数 值 分 析 .434.4 本 章 小 结 50第 五 章 试 验 研 究 与 分 析 515.1 试 验 目 的 与 内 容 515.2 试 验 原 理 及 方 案 515.2.1 试 验 原 理 .515.2.2 试 验 方 案 .535.3 试 验 结 果 与 分 析 545.3.1 试 验 件 的 加 工 .545.3.2 内 喷 嘴 雾 化 试 验 .545.3.3 外 喷 嘴 雾 化 试 验 .565.3.4 关 键 尺 寸 公 差 确 定 及 验 证 .585.3.5 流 量 压 降 试 验 .595.4 本 章 小 结 61第 六 章 总 结 与 展 望 626.1 总 结 626.2 研 究 展 望 63参 考 文 献 64致 谢 .66攻 读 硕 士 学 位 期 间 发 表 的 学 术 论 文 67IV上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论第 一 章 绪 论1.1 课 题 的 背 景 及 研 究 意 义1.1.1 课 题 背 景卫 星 在 轨 运 行 是 通 过 发 动 机 推 力 器 组 件 来 实 现 轨 道 、 姿 态 的 保 持 和 调 整 的 。 本 课题 所 研 究 的 10N 喷 注 器 是 我 国 自 主 研 发 的 用 于 高 轨 道 、 长 寿 命 卫 星 的 高 性 能 双 组 元 发动 机 推 力 器 的 核 心 部 件 。 卫 星 上 使 用 的 推 力 器 组 件 主 要 由 电 磁 阀 、 喷 注 器 以 及 喷 管 组成 。 10N 推 力 器 组 件 及 喷 注 器 结 构 如 图 1 所 示 。 10N 喷 注 器 的 主 要 功 能 是 在 一 定 压 力 下使 燃 料 和 氧 化 剂 分 别 按 一 定 流 量 经 内 、 外 喷 嘴 喷 出 实 现 雾 化 ， 从 而 为 后 续 的 混 合 和 燃烧 做 准 备 。(a) 10N 推 力 器 (b) 10N 喷 注 器图 1 10N 推 力 器 组 件 及 喷 注 器 外 形 图Fig.1 10N thruster assembly and injector2012 年 起 ， 笔 者 所 在 单 位 承 担 10N 喷 注 器 飞 行 件 的 制 造 任 务 以 来 ， 10N 喷 注 器 的流 量 和 雾 化 性 能 始 终 不 稳 定 ， 产 品 合 格 率 仅 在 40%左 右 。 以 Z13 批 为 例 ， Z13 批 共 投 产100 套 ， 合 格 率 仅 为 41%， 不 合 格 品 中 外 喷 嘴 问 题 占 42%， 内 喷 嘴 问 题 占 31%， 内 、 外喷 嘴 均 存 在 问 题 的 占 27%， 不 合 格 品 问 题 分 布 如 图 2 所 示 。 10N 喷 注 器 中 内 喷 嘴 与 外 喷嘴 问 题 比 例 约 为 1:1.2， 反 映 出 外 喷 嘴 问 题 更 为 突 出 。1问题数(件)上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论27%42% 外 喷 嘴 问 题内 喷 嘴 问 题内 外 喷 嘴 均 有 问 题31%图 2 10N 喷 注 器 不 合 格 品 问 题 分 类 (Z13 批 )Fig.2 Classification of nonconforming product for 10N injector(Z13)进 一 步 对 不 合 格 原 因 进 行 归 类 ， 主 要 问 题 集 中 在 流 量 超 差 和 雾 化 质 量 两 个 方 面 ，详 见 图 3。2520151050内 喷 嘴外 喷 嘴流 量 超 差 雾 化 角 超 差 雾 化 不 均 匀 其 它 问 题图 3 10N 喷 注 器 不 合 格 品 原 因 分 布 (Z13 批 )Fig.3 Cause distribution of the nonconforming product for 10N injector(Z13)图 3 中 雾 化 角 超 差 ， 包 括 角 度 偏 大 、 偏 小 以 及 偏 斜 ； 雾 化 不 均 匀 ， 包 括 液 膜 有 水道 子 以 及 降 压 后 不 能 形 成 完 整 的 小 液 泡 ； 其 它 问 题 ， 包 括 液 膜 发 散 、 振 颤 等 雾 化 不 稳定 等 问 题 。为 了 提 高 10N 喷 注 器 产 品 合 格 率 ， 单 纯 的 追 求 零 件 加 工 精 度 ， 并 没 有 显 著 提 升 产品 合 格 率 ， 反 而 使 零 件 加 工 阶 段 的 报 废 率 增 加 ， 进 入 装 配 环 节 仍 然 依 赖 于 零 件 修 配 、装 配 调 整 和 测 试 筛 选 ， 产 品 性 能 一 致 性 差 、 生 产 效 率 低 ， 成 为 制 约 型 号 任 务 的 瓶 颈 。因 此 ， 尽 快 开 展 10N 喷 注 器 制 造 误 差 对 其 特 性 的 影 响 研 究 ， 优 化 10N 喷 注 器 关 键 尺 寸误 差 控 制 ， 提 升 工 艺 稳 定 性 ， 并 具 备 小 批 量 生 产 能 力 ， 已 经 成 为 当 务 之 急 。1.1.2 课 题 研 究 意 义本 课 题 研 究 意 义 主 要 表 现 在 以 下 方 面 ：（ 1） 产 品 性 能 的 提 升 对 于 卫 星 在 轨 寿 命 和 姿 态 控 制 具 有 重 要 意 义2上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论对 于 小 推 力 发 动 机 主 要 用 于 完 成 火 箭 和 航 天 器 在 空 间 机 动 飞 行 时 的 变 轨 和 姿 态控 制 等 任 务 1。 随 着 新 一 代 大 容 量 平 台 卫 星 对 寿 命 和 控 制 精 度 要 求 的 提 高 ， 对 双 组 元姿 控 发 动 机 的 比 冲 性 能 以 及 脉 冲 性 能 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 在 轨 脉 冲 次 数 达 数 十 万 次 ，工 作 寿 命 通 常 需 在 轨 运 行 数 年 到 十 几 年 ， 累 积 工 作 时 间 达 数 十 小 时 2。 作 为 小 推 力 双组 元 姿 控 发 动 机 的 核 心 部 件 ， 10N 喷 注 器 的 性 能 尤 为 关 键 。 通 过 本 课 题 研 究 ， 提 高10N喷 注 器 产 品 性 能 ， 将 有 助 于 提 升 推 进 剂 在 燃 烧 室 中 的 燃 烧 效 率 ， 继 而 提 升 发 动 机 的 推力 、 比 冲 等 性 能 ， 对 于 减 少 卫 星 推 进 剂 消 耗 量 ， 提 高 姿 态 控 制 精 确 ， 甚 至 延 长 卫 星 在轨 运 行 寿 命 都 具 有 重 要 意 义 。（ 2） 有 助 于 降 低 制 造 成 本 ， 缩 短 生 产 周 期21 世 纪 以 来 ， 我 国 航 天 工 业 发 展 已 进 入 快 车 道 。 小 推 力 双 组 元 姿 控 发 动 机 在 我 国大 型 高 轨 道 卫 星 中 得 到 了 广 泛 应 用 ， 如 我 国 的 东 方 红 4 号 平 台 卫 星 推 进 系 统 由 1 台 用 于卫 星 轨 道 转 移 的 490N 远 地 点 发 动 机 和 14 台 用 于 卫 星 姿 态 控 制 、 轨 道 控 制 的 10N 发 动 机组 成 。 新 一 代 10N 喷 注 器 由 于 性 能 更 为 优 越 ， 近 年 来 已 逐 渐 替 代 老 产 品 ， 预 计 10N 喷注 器 每 年 有 近 350 套 的 需 求 量 ， 且 未 来 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 但 是 ， 相 对 于 一 般 工 业用 喷 嘴 ， 10N 喷 注 器 结 构 紧 凑 ， 材 料 采 用 高 温 钛 合 金 ， 结 构 采 用 焊 接 密 封 方 式 ， 焊 接后 不 具 有 可 调 整 性 ， 一 旦 超 差 只 能 整 件 报 废 ， 上 述 工 艺 特 点 对 产 品 的 加 工 及 装 配 都 提出 了 更 高 的 要 求 。 10N 喷 注 器 从 零 件 加 工 、 装 配 到 测 试 全 过 程 ， 生 产 周 期 长 ， 制 造 成本 高 。 目 前 ， 对 于 小 流 量 的 双 组 元 喷 嘴 ， 尤 其 是 外 喷 嘴 ， 从 制 造 误 差 尺 度 范 畴 的 相 关研 究 较 少 ， 通 过 本 课 题 研 究 ， 为 喷 嘴 制 造 工 艺 优 化 和 关 键 过 程 控 制 提 供 参 考 ， 提 高 产品 合 格 率 ， 缩 短 生 产 周 期 ， 实 现 小 批 量 生 产 ， 满 足 型 号 任 务 的 需 要 。（ 3） 有 助 于 提 高 数 值 模 拟 精 度 ,缩 短 开 发 周 期当 前 我 国 卫 星 已 经 进 入 了 一 个 产 品 快 速 升 级 换 代 的 阶 段 ， 新 型 号 的 喷 注 器 ， 如25N 喷 注 器 、 750N 喷 注 器 等 预 研 项 目 多 、 周 期 缩 短 且 竞 争 激 烈 。 而 目 前 喷 注 器 的 设 计仍 以 经 验 设 计 为 主 ， 仿 真 技 术 作 为 辅 助 手 段 ， 计 算 和 仿 真 都 没 有 考 虑 制 造 误 差 的 控 制问 题 ， 因 此 从 产 品 设 计 到 制 造 仍 然 需 要 结 合 大 量 试 验 验 证 的 工 作 量 ， 延 长 了 产 品 开 发周 期 。 事 实 上 产 品 的 制 造 都 是 有 误 差 的 ， 离 心 式 喷 嘴 内 液 流 层 的 厚 度 与 喷 嘴 的 加 工 误差 相 比 相 差 不 太 大 ， 因 此 加 工 因 素 对 喷 嘴 工 作 的 影 响 并 不 比 喷 嘴 几 何 尺 寸 影 响 小 3。由 于 喷 嘴 结 构 尺 寸 小 ， 内 部 流 动 过 程 复 杂 ， 各 种 制 造 误 差 之 间 具 有 很 强 的 关 联 性 ， 仅通 过 试 验 方 法 研 究 具 有 较 大 难 度 。 推 进 剂 在 喷 注 器 内 部 是 一 个 复 杂 的 三 维 流 动 过 程 ，从 加 压 到 雾 化 稳 定 状 态 只 有 短 短 十 几 毫 秒 到 几 十 毫 秒 ， 本 课 题 运 用 数 值 模 拟 技 术 ， 不仅 与 试 验 研 究 喷 雾 过 程 形 成 互 补 ， 而 且 可 以 更 加 直 接 地 模 拟 理 想 情 况 ， 可 以 分 别 针 对不 同 的 制 造 误 差 对 产 品 性 能 的 影 响 分 析 入 手 ， 找 出 关 键 因 素 ， 显 示 各 制 造 误 差 对 性 能的 影 响 程 度 ， 节 约 试 验 成 本 ， 进 而 有 的 放 矢 地 采 取 工 艺 优 化 措 施 ， 提 高 工 艺 可 靠 性 。从 而 为 小 流 量 喷 嘴 的 制 造 误 差 控 制 以 及 优 化 设 计 提 供 参 考 ， 有 助 于 减 少 试 验 耗 费 的 经费 和 时 间 ， 实 现 喷 注 器 的 快 速 开 发 。3上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论1.2 国 内 外 研 究 现 状1.2.1 喷 嘴 设 计 理 论 研 究离 心 式 喷 嘴 是 一 种 机 械 式 压 力 喷 嘴 ， 因 其 具 有 结 构 紧 凑 、 雾 化 角 度 大 ， 雾 化 均 匀性 好 的 特 点 ， 被 广 泛 应 用 于 工 业 锅 炉 、 燃 气 轮 机 、 内 燃 机 、 航 空 航 天 发 动 机 等 领 域 。上 世 纪 四 十 年 代 ， 前 苏 联 学 者 阿 勃 拉 莫 维 奇 （ .） 就 提 出 了 关 于 离心 式 喷 嘴 的 计 算 方 法 ， 该 方 法 基 于 最 大 流 量 原 理 4， 将 喷 嘴 的 有 效 截 面 系 数 、 流 量系 数 f 、 雾 化 角 等 参 数 与 几 何 特 性 系 数 A 建 立 了 函 数 表 达 式 。 但 该 理 论 基 于 无 粘 假设 ， 且 忽 略 了 液 体 流 动 中 径 向 速 度 的 变 化 ， 在 工 程 应 用 中 存 在 一 定 局 限 性 ， 对 于 高 粘度 和 小 流 量 的 喷 嘴 其 计 算 结 果 会 导 致 喷 嘴 雾 化 角 偏 大 、 流 量 偏 小 。针 对 最 大 流 量 原 理 的 不 足 ， 国 外 研 究 人 员 提 出 了 很 多 修 正 方 法 。 Rizk 等 人 5通 过大 量 试 验 得 出 了 计 算 离 心 喷 嘴 的 经 验 公 式 。 图 4 所 示 就 是 在 试 验 基 础 上 形 成 的 经 验 曲线 ， 设 计 时 已 知 喷 嘴 雾 化 角 ， 就 可 以 方 便 地 查 表 得 到 几 何 特 性 系 数 A， 流 量 系 数 f以 及 喷 嘴 的 有 效 截 面 系 数 。图 4 离 心 式 喷 嘴 的 参 数 、 、 与 几 何 特 性 系 数 A 的 关 系 曲 线 6Fig.4 The relationship curve of 、 、 and A在 国 内 ， 丁 红 明 等 7选 择 了 控 制 体 法 、 经 验 公 式 法 、 旋 流 室 分 段 计 算 法 和 动 量 矩守 恒 法 四 种 计 算 方 法 分 别 对 流 量 系 数 f 、 雾 化 角 和 索 太 尔 直 径 SMD 进 行 比 较 ， 发现 不 同 的 计 算 方 法 与 试 验 结 果 均 存 在 一 定 误 差 ， 分 析 认 为 不 同 的 计 算 方 法 都 是 有 一 定的 适 用 范 围 的 ， 使 用 时 需 要 选 择 合 适 的 模 型 才 能 满 足 工 程 设 计 要 求 。 清 华 大 学 的 傅 维标 8综 合 考 虑 了 几 何 特 性 参 数 以 及 粘 性 的 影 响 ， 采 用 因 次 分 析 方 法 ， 给 出 了 适 用 范 围4上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论较 宽 的 流 量 系 数 的 计 算 公 式 。 杨 建 辉 等 9根 据 液 膜 破 碎 稳 定 性 分 析 结 果 以 及 离 心 式 喷嘴 锥 形 液 膜 破 碎 长 度 的 经 验 公 式 ， 由 离 心 式 喷 嘴 的 结 构 参 数 和 简 化 的 流 动 模 型 计 算 出锥 形 液 膜 破 碎 厚 度 及 索 太 尔 平 均 直 径 SMD。此 外 ， 国 内 外 很 多 专 业 从 事 喷 嘴 设 计 和 制 造 企 业 还 针 对 具 体 产 品 建 立 了 设 计 经 验公 式 或 图 表 ， 从 而 提 高 了 设 计 开 发 效 率 。1.2.2 喷 嘴 雾 化 理 论 研 究雾 化 特 性 是 喷 嘴 性 能 的 关 键 指 标 之 一 。 对 于 喷 嘴 雾 化 机 理 ， 学 术 上 还 没 有 形 成 统一 的 认 识 。 不 同 雾 化 机 理 研 究 如 空 气 动 力 干 扰 ， 空 气 扰 动 ， 湍 流 扰 动 ， 压 力 震 荡 ， 边界 条 件 突 变 等 虽 有 一 定 的 理 论 支 撑 ， 但 不 足 之 处 还 有 待 进 一 步 完 善 的 。 就 目 前 而 言 ，大 多 数 学 者 支 持 空 气 动 力 干 扰 说 10。 空 气 动 力 干 扰 学 说 对 雾 化 机 理 解 释 为 当 流 体 从 喷嘴 喷 出 突 然 失 去 了 壁 面 的 约 束 后 ， 受 到 离 心 力 、 粘 性 力 及 表 面 张 力 等 的 共 同 作 用 ， 液流 沿 切 向 速 度 和 轴 向 速 度 的 合 成 方 向 逐 渐 向 外 扩 张 ， 形 成 空 心 圆 锥 状 的 液 膜 ， 液 膜 在空 气 动 力 干 扰 下 表 面 形 成 波 动 并 不 断 破 碎 ， 进 而 实 现 雾 化 。雾 化 研 究 普 遍 将 液 体 雾 化 过 程 分 为 一 次 雾 化 阶 段 和 二 次 雾 化 阶 段 两 个 阶 段 。 一 次雾 化 阶 段 ， 即 流 体 由 喷 口 喷 出 后 随 着 距 离 的 增 加 ， 液 膜 越 来 越 薄 ， 在 空 气 动 力 干 扰 下稳 定 性 下 降 ， 直 至 连 续 液 膜 破 裂 成 液 丝 的 过 程 ； 二 次 雾 化 阶 段 ， 即 液 体 从 液 面 上 被 气流 剥 离 ， 由 液 丝 进 一 步 破 裂 成 液 滴 ， 进 而 成 为 更 为 微 小 的 液 滴 的 雾 化 阶 段 。 Rizk11用 水 和 空 气 作 介 质 ， 研 究 了 初 始 液 膜 厚 度 对 雾 化 性 能 的 影 响 ， 得 出 在 结 构 参 数 不 变 的情 况 下 ， 索 特 尔 直 径 随 着 压 力 的 增 加 而 减 小 ， 且 当 在 其 他 参 数 不 变 的 条 件 下 ， 初 始 液膜 厚 度 仅 与 喷 嘴 的 几 何 尺 寸 有 关 。国 内 的 研 究 人 员 也 开 展 了 大 量 的 理 论 研 究 工 作 。 王 之 任12对 离 心 式 喷 嘴 的 最 大 流量 原 理 进 行 了 深 入 的 论 证 ， 通 过 分 析 离 心 式 喷 嘴 的 工 况 推 导 出 了 该 原 理 成 立 的 边 界 条件 。 林 玉 静 13等 对 旋 转 射 流 初 始 雾 化 阶 段 进 行 了 研 究 ， 利 用 质 量 守 恒 定 律 和 动 量 守恒 定 律 建 立 了 描 述 旋 流 喷 嘴 初 始 阶 段 运 动 方 程 ， 并 得 出 空 心 旋 转 射 流 的 运 动 规 律 ， 结合 实 验 捕 捉 到 初 始 雾 化 外 观 呈 现 连 续 的 橄 榄 形 液 泡 。1.2.3 喷 嘴 雾 化 数 值 模 拟 研 究随 着 计 算 机 技 术 和 计 算 流 体 力 学 （ Computational Fluid Dynamics， CFD） 的 发 展 ，数 值 模 拟 成 为 喷 嘴 实 验 研 究 以 外 的 新 的 重 要 手 段 。在 多 相 流 领 域 ， Chuech14等 运 用 数 值 计 算 方 法 模 拟 出 液 体 喷 射 的 初 级 雾 化 过 程 ；Ashraf 等 15利 用 VOF（ Volume of Fluid） 方 法 模 拟 了 离 心 式 雾 化 喷 嘴 的 内 部 流 动 ， 预测 了 喷 嘴 出 口 处 的 液 膜 锥 角 和 流 量 系 数 等 ； Buelow16等 采 用 VOF 多 相 流 模 型 和 RNGk 湍 流 模 型 模 拟 了 喷 嘴 内 部 与 喷 口 外 部 区 域 的 流 动 ， 液 膜 分 布 、 出 口 速 度 、 喷 雾5上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论锥 角 等 的 预 测 结 果 经 实 验 得 到 了 验 证 ； Ibrahim17等 针 对 离 心 喷 嘴 的 液 膜 不 稳 定 进 行了 模 拟 ， 预 测 了 液 膜 破 碎 长 度 。 Daniel Fuster 等 18重 点 对 二 维 自 适 应 网 格 在 雾 化 方 面的 应 用 进 行 了 深 入 研 究 ， 并 针 对 不 同 网 格 精 度 的 VOF 仿 真 结 果 进 行 了 比 较 ， 研 究 表 明随 着 网 格 尺 寸 精 度 的 提 高 ， 雾 化 角 呈 逐 渐 减 小 的 趋 势 。国 内 研 究 人 员 也 应 用 数 值 模 拟 技 术 开 展 了 大 量 的 研 究 工 作 。 刘 娟19等 运 用 数 值 模拟 技 术 对 离 心 式 喷 嘴 的 旋 流 室 、 等 直 段 、 扩 张 段 等 结 构 尺 寸 变 化 对 雾 化 的 影 响 进 行 研究 ， 得 出 了 尺 寸 变 化 对 流 量 系 数 、 液 膜 厚 度 和 雾 化 角 的 影 响 程 度 。 徐 让 书 20等 运 用VOF 多 相 流 模 型 和 大 涡 模 拟 （ LES） 湍 流 模 型 对 航 空 发 动 机 离 心 式 喷 嘴 初 始 雾 化 过 程 ，在 建 模 时 预 先 按 雾 化 角 度 将 雾 化 场 进 行 了 分 割 并 得 出 液 膜 破 碎 长 度 。 汪 凤 山21等 运 用VOF 多 相 流 模 型 和 大 涡 模 拟 （ LES） 的 方 法 对 双 组 元 喷 嘴 雾 化 角 动 态 变 化 趋 势 以 及 喷口 直 线 段 长 度 、 压 力 变 化 对 速 度 、 雾 化 角 影 响 进 行 研 究 。 王 国 辉22等 应 用 VOF 方 法 对离 心 式 喷 嘴 气 液 两 相 流 动 进 行 了 数 值 模 拟 ， 并 通 过 不 同 螺 旋 槽 截 面 积 、 螺 旋 升 角 和 槽道 数 对 于 雾 化 的 影 响 进 行 了 比 较 ， 研 究 认 为 旋 流 室 及 旋 流 器 的 结 构 和 尺 寸 均 会 对 喷 嘴出 口 速 度 产 生 影 响 ， 其 中 旋 流 器 螺 旋 升 角 和 槽 道 数 对 喷 嘴 雾 化 角 具 有 显 著 影 响 。综 上 所 述 ， 在 喷 嘴 设 计 理 论 研 究 方 面 ， 现 有 理 论 和 各 种 修 正 方 法 、 经 验 公 式 所 针对 的 喷 嘴 结 构 适 用 范 围 是 有 限 的 ， 在 工 程 应 用 中 均 存 在 一 定 局 限 性 ， 从 图 4 中 也 可 以看 到 ， 离 心 喷 嘴 的 关 序 曲 线 范 围 是 流 量 系 数 大 于 0.1、 几 何 特 性 系 数 小 于 6 的 情 况 ， 尤其 是 对 高 粘 度 和 小 流 量 的 喷 嘴 计 算 误 差 较 大 ， 相 关 的 研 究 较 少 。 在 喷 嘴 雾 化 理 论 研 究方 面 ， 普 遍 将 液 体 雾 化 过 程 分 为 一 次 雾 化 阶 段 和 二 次 雾 化 阶 段 两 个 阶 段 ， 但 两 者 是 相互 关 联 的 ， 一 次 雾 化 的 液 膜 厚 度 决 定 了 二 次 雾 化 的 索 特 尔 直 径 ， 且 液 膜 厚 度 仅 与 喷 嘴的 几 何 尺 寸 有 关 ， 因 此 对 一 次 雾 化 阶 段 的 研 究 显 得 尤 为 重 要 。 无 论 是 理 论 计 算 还 是 数值 模 拟 对 双 组 元 喷 注 器 的 研 究 较 少 ， 对 外 喷 嘴 的 研 究 则 鲜 有 涉 及 ， 且 现 有 的 研 究 其 出发 点 是 对 喷 嘴 的 结 构 设 计 和 优 化 ， 其 研 究 影 响 因 素 不 能 覆 盖 10N 喷 注 器 的 因 素 ， 且 尺寸 变 化 尺 度 为 毫 米 量 级 远 低 于 本 课 题 研 究 的 制 造 误 差 尺 度 。1.3 研 究 内 容 和 方 法10N 喷 注 器 的 性 能 主 要 包 括 流 量 特 性 和 雾 化 特 性 两 个 方 面 。 本 课 题 将 在 理 论 分 析基 础 上 ， 通 过 运 用 数 值 模 拟 技 术 和 开 展 雾 化 试 验 ， 研 究 10N 喷 注 器 内 、 外 喷 嘴 制 造 误差 对 其 内 部 流 场 以 及 初 始 雾 化 阶 段 特 性 的 影 响 ， 从 而 为 优 化 制 造 过 程 控 制 提 供 依 据 。本 文 主 要 研 究 内 容 包 括 ：（ 1） 影 响 产 品 性 能 的 主 要 制 造 误 差 因 素10N 喷 注 器 的 性 能 主 要 包 括 流 量 特 性 和 雾 化 特 性 两 个 方 面 。 对 于 机 械 雾 化 喷 嘴 ，在 工 作 压 力 和 流 体 粘 度 不 变 的 条 件 下 ， 流 量 特 性 和 雾 化 性 能 是 喷 嘴 结 构 尺 寸 决 定 的 。本 课 题 将 从 制 造 工 艺 以 及 喷 嘴 最 大 流 量 理 论 计 算 两 方 面 进 行 分 析 ， 确 定 影 响 产 品 特 性6上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论的 主 要 制 造 误 差 因 素 。（ 2） 流 场 模 型 的 建 立 及 其 网 格 划 分10N 喷 注 器 流 体 模 型 包 括 内 、 外 喷 嘴 内 部 流 场 以 及 外 部 雾 化 场 组 成 。 离 心 式 喷 嘴雾 化 过 程 为 复 杂 的 三 维 流 动 ， 雾 化 角 的 仿 真 以 及 制 造 误 差 的 影 响 都 对 模 型 的 网 格 划 分提 出 很 高 要 求 。 本 课 题 将 使 用 GAMBIT 2.4.6 软 件 对 10N 喷 注 器 的 内 喷 嘴 、 外 喷 嘴 建 立考 虑 制 造 误 差 的 三 维 流 动 模 型 ， 并 进 行 网 格 划 分 和 边 界 设 置 。（ 3） 流 体 数 值 模 拟 相 关 模 型 及 算 法 的 确 定模 拟 离 心 式 喷 嘴 的 内 部 流 场 以 及 一 次 雾 化 过 程 主 要 涉 及 到 两 相 流 模 型 、 湍 流 模 型以 及 相 关 算 法 和 参 数 的 选 择 。 本 课 题 将 使 用 FLUENT 12 软 件 ， 通 过 合 理 选 择 相 关 模 型以 及 参 数 设 置 ， 对 喷 嘴 模 型 进 行 三 维 动 态 数 值 模 拟 。（ 4） 主 要 制 造 误 差 对 产 品 性 能 的 影 响 程 度运 用 数 值 模 拟 技 术 ， 并 进 行 流 量 、 流 量 压 降 、 速 度 分 布 等 计 算 分 析 ， 找 出 各 制 造误 差 对 产 品 性 能 的 影 响 程 度 ， 为 产 品 雾 化 试 验 提 供 参 考 。 将 从 流 量 、 速 度 、 雾 化 角 、液 膜 厚 度 等 方 面 ， 对 仿 真 数 据 进 行 分 析 评 价 ， 确 定 产 品 特 性 的 主 要 影 响 因 素 以 及 误 差控 制 范 围 ， 并 开 展 试 验 。（ 5） 确 定 制 造 误 差 的 控 制 措 施制 造 误 差 是 不 可 能 完 全 消 除 的 ， 但 可 以 将 误 差 控 制 在 可 接 受 的 范 围 内 以 确 保 产 品性 能 。 在 理 论 分 析 和 数 值 模 拟 结 果 的 基 础 上 ， 通 过 试 验 研 究 和 分 析 确 定 10N 喷 注 器 关键 结 构 尺 寸 及 公 差 。本 文 的 章 节 安 排 如 下 ：第 一 章 ， 对 课 题 背 景 进 行 了 阐 述 ， 从 对 国 内 外 喷 嘴 雾 化 相 关 研 究 现 状 进 行 研 究 ，确 定 本 文 的 研 究 内 容 ；第 二 章 ， 通 过 对 工 作 原 理 、 结 构 以 及 特 性 分 析 ， 确 定 特 性 影 响 因 素 及 误 差 范 围 ；第 三 章 ， 在 流 体 力 学 理 论 基 础 上 确 定 仿 真 模 型 ， 建 立 内 、 外 喷 嘴 流 场 模 型 ；第 四 章 ， 对 10N 喷 注 器 内 、 外 喷 嘴 的 仿 真 模 型 进 行 数 值 模 拟 计 算 ， 并 分 别 从 内部 流 动 以 及 外 部 初 始 雾 化 进 行 分 析 ， 对 各 制 造 误 差 对 性 能 的 影 响 程 度 进 行 了 评 价 ；第 五 章 ， 搭 建 专 用 试 验 平 台 开 展 雾 化 试 验 ， 测 量 流 量 及 雾 化 角 ， 并 在 试 验 基 础 上进 行 进 一 步 优 化 内 、 外 喷 嘴 的 结 构 尺 寸 及 其 公 差 ；第 六 章 ， 对 本 文 研 究 内 容 及 成 果 进 行 总 结 ， 并 对 下 一 步 的 研 究 工 作 进 行 展 望 。7上 海 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 第 二 章 喷 注 器 原 理 、 结 构 与 特 性 分 析第 二 章 喷 注 器 原 理 、 结 构 与 特 性 分 析本 章 从 10N 喷 注 器 的 工 作 原 理 、 喷 嘴 结 构 以 及 特 性 制 造 工 艺 等 方 面 开 展 分 析 ， 从而 确 定 考 核 指 标 、 制 造 误 差 因 素 及 误 差 范 围 ， 为 后 续 开 展 仿 真 分 析 和 试 验 研 究 提 供 依据 。2.1 喷 注 器 工 作 原 理喷 注 器 可 按 推 进 剂 组 元 的 数 量 分 为 单 组 元 、 双 组 元 和 三 组 元 。 由 于 双 组 元 喷 注 器比 单 组 元 喷 注 器 具 有 能 量 特 性 高 、 所 占 的 面 积 小 等 优 点 ， 因 此 其 在 现 代 液 体 火 箭 、 航天 器 中 已 经 获 得 了 相 当 广 泛 的 应 用 。 10N 喷 注 器 就 属 于 双 组 元 液 体 离 心 式 喷 注 器 。双 组 元 离 心 式 喷 注 器 可 按 混 合 方 式 分 为 两 种 基 本 类 型 ： 一 种 为 外 混 合 双 组 元 离 心式 喷 注 器 ， 另 一 种 为 内 混 合 双 组 元 离 心 式 喷 注 器 。 两 种 双 组 元 离 心 式 喷 注 器 如 图 5 所示 。 对 于 内 混 合 双 组 元 喷 注 器 ， 内 喷 嘴 的 喷 口 截 面 相 对 于 外 喷 嘴 喷 口 截 面 向 内 缩 进 一段 距 离 ， 两 个 喷 嘴 的 喷 雾 锥 在 外 喷 嘴 内 混 合 ； 对 于 外 混 合 双 组 元 喷 注 器 ， 内 喷 嘴 的 喷口 截 面 与 外 喷 嘴 喷 口 截 面 位 于 同 一 平 面 ， 两 个 喷 嘴 的 喷 雾 锥 在 离 开 喷 嘴 出 口 后 混 合 。(a) 内 混 合 (b) 外 混 合图 5 双 组 元 离 心 式 喷 嘴 示 意 图Fig.5 Bi-propellant centrifugal nozzle structure10N 喷 注 器 的 两 个 喷 嘴 为 同 轴 安 装 ， 内 喷 嘴 的 喷 口 与 外 喷 嘴 喷 口 位 于 同 一 平 面 ，因 此 ， 在 总 体 结 构 上 10N 喷 注 器 采 用 了 外 混 合 收 口 形 的 双 组 元 喷 嘴 结 构 。10N 推 力 器 工 作 时 ， 电 磁 阀 通 电 打 开 ， 在 贮 箱 压 力 的 作 用 下 ， 两 路 推 进 剂 进 入 喷注 器 ， 一 路 燃 料 经 内 喷 嘴 雾 化 形 成 空 心 雾 锥 ， 与 此 同 时 另 一 路 氧 化 剂 则 经 外 喷 嘴 雾 化形 成 锥 角 更 大 的 空 心 雾 锥 。 氧 化 剂 雾 化 后 大 部 分 液 滴 均 匀 分 布 在 燃 烧 室 圆 周 壁 面