【摘 要】
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Mg/CO2粉末火箭发动机是火星探测原位资源利用最佳方案之一。它具有结构相对简单、有效比冲高、对环境不敏感等性能优势,同时又具备多次启动、推力可调等良好功能。Mg粉和CO2以气固两相流的方式进行喷注,其喷注方式必然影响Mg/CO2粉末火箭发动机的燃烧效率,为了实现Mg粉和CO2充分掺混燃烧,本文基于数值模拟方法,采用Realizable k-ε湍流模型,并考虑氧化层厚度对Mg颗粒熄火的影响建立了点
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Mg/CO2粉末火箭发动机是火星探测原位资源利用最佳方案之一。它具有结构相对简单、有效比冲高、对环境不敏感等性能优势,同时又具备多次启动、推力可调等良好功能。Mg粉和CO2以气固两相流的方式进行喷注,其喷注方式必然影响Mg/CO2粉末火箭发动机的燃烧效率,为了实现Mg粉和CO2充分掺混燃烧,本文基于数值模拟方法,采用Realizable k-ε湍流模型,并考虑氧化层厚度对Mg颗粒熄火的影响建立了点火模型,燃烧模型采用涡耗散/有限速率模型控制。计算分析了颗粒粒径、氧燃比、Mg粉喷注和CO2进气方式对发动机燃烧性能的影响,得出以下结论:1)对比了粒径 10um、15um、20um、25um、30um 的 Mg 颗粒在 CO2 中的点火燃烧特性,其中颗粒粒径为10um时点火时间最短,燃烧室高温区分布最广,燃烧效率最高。随着颗粒粒径的增大,点火时间越长,燃烧室中镁粉的燃烧放热峰逐渐往燃烧室后端移动,燃烧效率越低。2)对比了氧燃比（CO2/Mg）1、1.5、2的点火燃烧特性,其中氧燃比为1.5时颗粒群点火时间最短,燃烧室燃烧反应放热量最大,燃烧效率最高。镁粉燃烧效率沿燃烧室轴向具有脉动性。3)对比了镁粉喷注角度0°、15°、30°、45°、60°的燃烧性能,在喷注角度0°到45°范围内,随着角度增加,MgO平均质量分数越大,颗粒粒径变化越明显,燃烧效率越高。在喷注角度45°到60°范围内,随着角度增加,MgO平均质量分数越小,颗粒粒径变化越不明显,燃烧效率越低。4)对比了不同的CO2进气方式（依据CO2入口与镁粉入口距离不同的轴向进气方式、依据两个CO2进气环的距离不同的周向进气方式）对发动机燃烧性能的影响,其中CO2入口距离镁粉入口为5mm的CO2轴向进气方式结构下,燃烧室头部驻涡尺寸大,湍流强度高,镁粉燃烧效率最高。两个CO2进气环的距离为90mm的CO2周向进气方式结构下,颗粒粒径沿燃烧室轴向变化范围最大,燃烧室高温区分布最广。
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