● 摘要
火箭发动机燃气二次喷射推力向量控制系统具有响应快、效率高、尺寸小、重量轻等优点，高温高压燃气阀门是该系统的关键部件，国外已经对其进行了深入的研究。在国内主要对燃气二次喷射推力向量控制系统的喷管内流场进行研究，对阀门本体的结构、流场和试验的研究较少。本文结合国内外的资料，对高温高压燃气阀门的结构和流场开展了如下四个方面的系统研究。首先，根据阀门的结构和工作状况，介绍其数值模拟的相关理论，确定了数值模拟的应用方法和数学模型。然后，利用有限元方法，针对阀门的有无热载荷条件和不同材料，分别采用不同的结构静力和热应力有限元模型，对阀芯进行了结构静力数值模拟和热应力数值模拟，并且对其结果进行了分析，得到了阀芯应力和应变的变化情况。利用有限体积法，采用不同的边界条件，对阀门的全开启、半开启和关闭三种工作状况，进行了流场数值模拟，得到了阀门内部压力、速度和温度流场分布以及阀门外部温度场的分布情况，并且进行了对比分析，得到了阀门内部流场和外部温度分布的规律。针对现有阀门试验件和试验条件，设置1MPa和2MPa不同初始压力条件和不同的阀芯初始位置，利用高温燃气对阀门进行了试验，考核了阀门的结构完整性，并测量了阀门外部不同位置的温度，将得到试验数据与数值模拟的数据进行对比，验证数值模拟的有效性。本论文关于高温燃气阀门的结构仿真和试验研究，为后续开展深入的研究打下了良好的基础。