● 摘要
喷嘴动态特性对液体火箭发动机的燃烧稳定性有很大的影响，开展喷嘴动态特性的研究工作，对解决不稳定燃烧具有非常重要的意义。本文从理论和数值模拟两方面开展喷嘴动态特性的研究工作，选取收口型和敞口型离心喷嘴作为研究对象，将离心喷嘴分成切向通道、旋流腔和喷口三个结构组成部分，对三部分通道内液体流动的非定常流体力学方程组进行拉普拉斯变换，进行推导求解，得到收口型和敞口型离心喷嘴的传递函数。应用这种把时域微分方程转化到频域求解的方法，设计了一组收口型离心喷嘴算例进行了数值计算，与理论计算结果进行了比较分析，并系统考察了几何特性A值、喷口长度和压降等参数对收口型离心喷嘴相频和幅频特性的影响。计算敞口型离心喷嘴动态特性时，由于敞口型离心喷嘴没有收口段，所以旋流腔内没有相应的反射波，因此结合收口型离心喷嘴动态特性计算公式，并考虑了旋流腔内轴向速度对喷嘴动态特性影响，推导出了适合敞口型离心喷嘴的专用的动态特性计算公式。应用此计算公式，以RD170发动机中一种敞口型离心喷嘴的大致尺寸为算例，进行了计算，并与相应的收口型离心喷嘴的动态特性进行了比较。算例结果表明，敞口型离心喷嘴的流量相对振幅约为收口型离心喷嘴的1/8到1/10，而且振幅随频率的增大而单调递减，随A值的增大而减小；相移随旋流腔长度的增大而线性增大。为了滤除或减小某一特定频率的的振荡波，根据敞口型离心喷嘴相移与旋流腔长度的关系，设计出具有双排切向通道的敞口型离心喷嘴，并建立了相应的模型，推导出具有双排切向通道的敞口型离心喷嘴的动态特性传递函数。算例的结果表明：当两排切向通道之间的距离为振荡波的波长的一半时，滤波效果最好；使用双排切向通道的滤波方法对中、高频振荡的滤波效果要好于对低频振荡的滤波效果。因此，敞口型离心喷嘴相对于收口型离心喷嘴，由于其较低的相对流量振荡和良好的相位可调节性，可以设计出形式多样的阻尼器和滤波器。