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题目:高温燃气阀性能数值模拟研究

关键词:高温燃气阀;动态响应模拟;内流场特性;阀门性能;阀体烧蚀规律

  摘要

高温燃气阀门(HGV)为空间自寻的飞行器提供连续可调的矢量推力,是固体推进剂姿态轨道控制动力系统的关键技术之一。本文论述了高温燃气阀技术的发展和国内外研究现状,建立了燃气阀的非线性数学模型和基于Matlab/Simulink平台的电磁、机械和气动耦合的一体化仿真框图,利用此模型进行了燃气阀动态过程仿真,研究了不同阀门参数对燃气阀开-关过程各阶段响应时间的影响规律。仿真结果表明:分阶段响应时间分析方法为阀门响应特性研究提供了新的思路;驱动电压、预紧力、线圈电阻和匝数是影响响应时间的重要因素;阀门参数变化对各响应时间影响程度不同,对总响应时间 、 的作用效果相反。基于动网格基本理论和计算流体力学基本方法,利用二维轴对称瞬态数值模型,从流场的基本特点、物理现象、阀门性能参数随开度的变化规律等角度对计算结果进行了对比分析,揭示燃气阀的基本工作特点和性能影响因素。结果表明,与标准喷管相比,有阀芯的喷管流场参数分布发生了明显变化。阀芯头部尖端产生一道斜激波,激波与喷管扩张段壁面碰撞后向下游反射。同时,在头部尖端附近形成了一个具有较高静压的亚音速回流区域。开度增大时,激波强度增强,回流区静压上升幅度加大,作用在阀芯上的轴向力和燃气流量增大,推力和阀门开度近似为线性关系。开展了阀门关键部件的传热烧蚀耦合计算,探索C/C复合材料在高温阀门中的应用条件,揭示燃气阀阀体热行为规律,为燃气阀防热设计及性能预测提供理论依据。计算结果表明:阀门内壁面烧蚀率曲线与热流密度曲线形状基本一致,表明烧蚀率的分布遵循热流密度的分布规律;烧蚀率峰值不在几何喉部截面,而是位于喉部上游入口处;阀门内流场压强是影响烧蚀率的重要因素,烧蚀率与阀门燃气压强呈线性关系。