申请人信息
申请人ID:地震带上的人
真实姓名:黄彧
自我介绍:本人就读于俄罗斯莫斯科国立鲍曼技术大学特种机械制造系的一名大二学生,专业是运载火箭和航天器设计。现进行探空火箭和常温低温液体火箭发动机的研制和学习中
申请方式:个人

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文号:859047  地震带上的人 发表于 2019-5-22 03:28:41
离心式喷嘴的CFD仿真
项目信息

离心式喷注器设计试制及采用该喷注器的微型液氧煤油发动机的设计与试验

中文摘要
此项目为之前的《离心式喷嘴的CFD仿真》的子项目。

此项目为之前的《离心式喷嘴的CFD仿真》的子项目。为2000N液氧——煤油发动机研发项目中的第二项。笔者由于在外上学,经常见到苏联的发动机内部常常采用离心式喷嘴的设计布局,如下图:

这是一台萨姆—2防空导弹的二级发动机早期型,外面的冷却加套采用压坑焊接。推进剂组元为硝酸——煤油,工作时间22s,推力26500N。可以发现这台发动机的头部结构异常的简单,全体单元采用钎焊的链接方式,燃料集液腔的受力由氧化剂喷嘴承受并分担到外壳。此外个人认为这种大小的发动机,未来爱好者是有能力办得到的。借此萌发了——首先尝试将此喷注器利用在爱好者中,初步探索其性能的想法。(简单来说,如果光是仿制这台发动机,足以让爱好者进行低轨道的探索行为。但是我们不能削足适履,要吃透其设计和性能,拿来做我们想要的东西,这次是最重要的)

 


首先,在这里再次讲解一下离心式喷注器的工作原理。

离心式喷注器的原理和理论,由上世纪四十年代苏联中央流体动力研究所的研究员——阿勃拉莫维奇提出,并在苏联的各液体火箭发动机上广泛应用。其原理是借助离心力的作用,将流体雾化。该喷嘴可分为两类:

1.切向孔式 2.旋流器式。

此处介绍切向孔式离心式雾化喷嘴。

图片来自百度图片

工作原理:
液体经过喷注单元的切向孔进入旋流室后,会沿着壁面旋转,在此期间液体会因为离心力的作用,使其形成紧贴壁面旋转的液膜;在到达喷嘴的时候,由于惯性的作用,液膜会继续做圆周运动,然后从喷口喷出,在喷嘴前形成空心的伞状液膜,之后,液膜会因为自生的表面张力和重力等因素下破裂,过程如下:因为液体存在粘度,所以附会附着,并生成液带。之后液带破裂形成液滴,此时,也就是推进剂的液滴会吸收燃烧室的热量而汽化,然后会以气相混合并燃烧。

 图片来自百度图片

 

离心式喷嘴能够保证在推进剂大质量流量工况下的雾化质量,从而在中等和大推力液体火箭发动机中广泛运用;此外,还能够简化发动机头部结构的设计,在保证优异雾化质量的同时,并减小了发动机头部的直径,从而达到推力室的减重以及大概率避免燃烧不稳定的情况发生。

但是,离心式喷嘴不适合在小推力发动机上使用,小推力意味着过低的质量流量,质量流量过低时,不能保证液膜的稳定,这时需要增加挤压压降,同时增加了推进剂供应系统的负担;一般情况下,小推力发动机燃烧室直径通常不大,在过小的空间内使用直流式喷注器已经足矣(空间过小,因此推进剂液滴能够均匀的分布在燃烧室内,暂不需要考虑燃烧不稳定的情况发生)。(有人仍然提出质疑,说为何在小型发动机上不能使用离心式喷注器。还有个最重要的原因就是过小的喷注器不方便加工且有流量限制(30-300g/s),且离心式喷注器喷注单元较大(直径在10mm左右),以实际例子来说,如果在之前的500N发动机上使用离心式喷注器的话,20mm内径的燃烧室会扩大到35mm,喷注器单元外径直径在11mm,且还只有大流量的氧化剂能使用离心式喷注器(为什么?我上面有说过,见红色字体)燃料的喷注由于流量限制仍然只能使用直流式喷嘴。在增加加工经费的同时,同时增加了设计难度和发动机的整体质量的增加,是极为不利的。)(通俗的话来说,就是多此一举,打孔能解决的问题不要太过于复杂化)



因为离心式喷注器只适合于中等和大推力发动机,所以目前国内还没有爱好者涉足该喷注器的设计和使用。更重要的原因是该喷注单元工作的好坏,是由切向孔的加工精度决定的。若切向孔打偏,或者流道边缘有毛刺,液体就不会做切向运动从而发生湍流,这将直接导致喷注器单元雾化质量的急剧降低。此次我将会使用较为常见的加工方式,如:车削,电火花加工等,初步探究爱好者是否能用以上加工方式完成离心式喷注器的制造,并实际应用在液体火箭发动机内。如果成功,我国爱好者将会有能力制作中等推力的液体火箭发动机。






其次研究计划分为三步:

1、设计仿真期间:

1)提出设计方案,计算喷管,燃烧室,喷注器和壳体的设计参数;

2)初步绘图、建立模型;

3)第一次进行相关部件的CFD仿真;

4)根据CFD仿真的数据,进行对模型以及图纸的修改:

5)第二次相关部件的CFD仿真;

6)若结果符合设计要求:定稿准备进行机械加工;若不符合要求,继续第4步直到CFD仿真结果与设计要求符合。

目前成功的进行了喷管,喷注单元的CFD仿真,并且在计算期间发现一次液氧喷注单元的设计缺陷,第一时间修正了模型;在第二次CFD仿真中,修正后的模型所得出的流场云图符合参考文献中的结论。

这里展示部分CFD仿真的结果:

煤油喷嘴仿真结果,黄色为贴着旋流室运动的液膜,橙色是出口的伞状液膜;

推力室的压力分布

喷管流场分析,用来分析喷管设计是否合理,是否能够正常工作

 喷管流场局部放大图,从中可以到激波较为均匀的发散出去,但是沿壁流体在喷管出口有略微扩张的现象

 已经定稿的氧化剂喷嘴和燃料喷嘴结构图,左边为氧化剂喷嘴,高大的她们将作为整个发动机头部的支撑件(这个设计在使用离心式喷注器的液体火箭发动机中很常见)。

目前,计算、仿真和制图已经结束。

使用CFD仿真离心式喷嘴的详细内容,在这篇帖子里面有详细介绍,链接如下:

https://www.kechuang.org/t/83997






2.喷注器的加工和测试

1)喷注器的加工

喷注器的加工,由于喷注器是轴对称体,使用车削方式加工外形和螺纹;切向孔和内部旋流室使用电火花加工。电火花加工精度能够满足此次喷注器的打孔任务,且在《500N硝酸——混胺发动机》项目中已经实际应用。

2)喷注器单个喷嘴的冷流测试:

冷流测试(Cold flow test)简称“冷测试”或“冷试”,冷流测试是一种检测总装流程错误及发动机零件缺陷的工具。冷试技术严格来说是一种质量检测的手段,是对发动机装配完成后的各系统进行综合测试的技术。(摘自百科)

这是油管上一位叫Jared Brewer的up做的冷流测试视频截图,其中中间的燃料喷嘴是一个商业化的离心式喷注器。

根据上面那个冷流实验的例子,简单来说,就是用水来代替推进剂组元,进行发动机喷注器的工作状态的测试。

实验步骤为:开启高压钢瓶,打开减压器往水储罐增压,压力等于挤压压降。达到额定压力之后开阀放水。主要设备有:高压钢瓶,减压器,储罐,液压表,汽蚀文氏管,集液槽(这个是单个喷嘴测试所需要的)或者发动机头部。

汽蚀文氏管的作用,能够准确的提供实验所需的质量流量的液体,即流量控制的作用。

由于工介是水且工作压力不高,可以近距离观察喷嘴的实时雾化情况,或者高速摄影做后续分析。同时结合CFD模拟结果,集液槽的液压表等数据来判断喷注器设计是否合理,加工是否出现了偏差;判断喷注单元合格的标准有:

1)单个喷嘴:(1.流量质量 2.雾化角度 3.雾化效果

2多个喷嘴即整个头部:(1.雾化效果 2.对撞情况 3.头部结构工况)

上色部分为重点监测要点!




3.热试车

将会进行一下步骤:

1)开放式热试车

在冷流测试通过的情况下,才能进行热试车,第一个进行的是开放式热试车。

所谓开放式热试车,整个测试部件就只有发动机的头部。这是后我们给头部供应推进剂并点火。从中观察组元混合是否均匀,燃烧是否存在不稳定的情况,若没有出现燃烧不稳定情况,将进行整体热试车;

2)整体热试车

所谓的整体热试车,就是日常爱好者所提到的试车。

这是第二个进行的项目,也是整个2000N液氧——煤油发动机项目决定成败之举。如果在开放式热试车测试中没有出现异常的话。将进行发动机全推力实验,同时采集推力数据供分析使用。达到设计要求即为整个项目的成功。

 这是油管上一位叫Jared Brewer的up做的开放式热试车,可以很直观的观察到燃烧的情况。(这里也可以使用高速摄影进行后续的分析)




最后简单来说一下此次发动机的一些参数:

1.设计推力:2000N 

2.发动机室压:3MPa

3.推进剂:液氧——煤油 

4.挤压压降:1MPa

5.工作方式:挤压式

6.点火方式:点火药盒


发动机模型:亮黄色为发动机头部,由整块304不锈钢车削制成,与推力室的连接方式是焊接;褐色和黑色为烧蚀材料,分别是酚醛和石墨;深灰色是发动机燃烧室的圆筒段,由304不锈钢无缝管制成;浅灰色为喷管的固定端,由整块304不锈钢车削制成,然后与燃烧室圆筒段焊接。喷注器分布为同心圆式分布,可见中间较大一圈的氧化剂喷嘴,和外圆的燃料喷嘴,这样设计是为了让壁面附近生产富燃燃气,防止过热燃气对烧蚀层的直接烧蚀。


以上为整个项目的研究计划!


在这里说一下目前本人的情况:

1.本人目前已经将本计划分为两大项,目前第一大项也就是喷注器单元的设计和仿真已经结束了(上文提到过),第二大项也就是喷注器的冷流和后面的发动机实验已经是万事俱备只欠东风了。

2.有爱好者私下at笔者,说为什么使用烧蚀冷却而不使用再生冷却?原因如下:1.烧蚀冷却并不low,且已经有航天公司使用次方案来进行液体火箭发动机的开发了:日本北海道大树町地区的一家民营航天公司——星際科技(IST),设计的MOMO-3液体火箭的主发动机就是烧蚀冷却:使用液氧—酒精,推力在20000N左右,在以往的测试中他们成功的让发动机足足工作了80和120S。2.在尝试新技术的前提下,最好减少其他不稳定因素的来源,烧蚀冷却已经是一项很成熟的技术了。3.研究计划和资金问题,目前来说先要验证喷注器的设计是否合理,且能不能让发动机正常工作,之后才能在进一步的修改。

3.资金的分发问题,本人有以下建议:由于本人身在国外,所以机械加工这方面是开展不了的,且审核员提到了大额(超5000)的资金需要分批转账。如果此次申请通过,本人打算用第一笔资金先购买实验所需的大部分原材料和器件,节约时间可以做到一回国就能开工。然后第二笔资金用来机械加工。若此次项目有剩余,将退还所有资金,若有超出预算的情况将会自行补贴。

其他信息
学科分类:喷气推进
研究周期:120天
资金预算:
用途 数量 单价(元) 合计(元) 专家建议(元) 实际批准(元)
科品旗舰店6061铝合金管 120*104 长2m 2 328 656 656 656
500kg传感器及配套电子设备 1 200 200 200 200
 重庆盾铭阀门厂 高压液氧阀门 定制件 DN15 10Mpa 24V  1 1150 1150 1150 1150
车床车削(这个需要跟师傅现场商量,按照以往加工经历大概需要这么多,此外需要用数控车床车石墨喷管的圆弧段) 1 2000 2000 2000 2000
上海慧辰贸易高纯石墨棒 130mm直径 20cm长 1 458 458 458 458
304不锈钢棒料 180mm直径 30cm长 (估价) 1 700 700 700 700
酚醛树脂棒 140mm外径 1m长 不零散卖 1 430 430 430 430
电火花加工(14个喷注器单元 3个汽蚀文氏管)(估价) 17 100 1700 1700 1700
焊接加工(估价) 1 200 200 200 200
角钢 40 40 规格 6m(估价) 2 150 300 300 300
304不锈钢棒料 40mm 2m(估价) 1 400 400 400 380
东莞市荣悦金属材料有限公司6061铝合金棒 φ150*300mm 1 323 323 323 323
新建13东莞市荣悦金属材料有限公司6061铝合金棒 φ150*300mm运费 1 60 60 60 60
宁波艾尔派克电磁阀ZSLG221515-CRB170 DN15 耐压 10MPa 24V 电磁阀 包邮 1 340 340 340 340
江苏方华阀门充灌设备厂编制管 10MPa   2 150 300 300 300
申请金额:9217元,专家建议:9217元,实际批准:9197元
实际使用:
用途 数量 单价(元) 合计(元)
科品旗舰店6061铝合金管 120*104 长2m 2 328 656
500kg传感器及配套电子设备 1 200 200
 重庆盾铭阀门厂 高压液氧阀门 定制件 DN15 10Mpa 24V  1 1150 1150
车床车削(因为自己在攻丝的时候废料了,所有东西重新做了一次) 1 4400 4400
上海慧辰贸易高纯石墨棒 130mm直径 20cm长 1 482 482
304不锈钢棒料  1 740 740
酚醛树脂棒 140mm 1 88 88
电火花加工(14个喷注器单元 2个汽蚀文氏管 煤油盖板) 2900 1 2900
钎料,助焊剂,无氧焊枪 1 493 493
304不锈钢棒料 40mm 2m 1 410 410
东莞市荣悦金属材料有限公司6061铝合金棒 φ150*300mm 1 485 485
宁波艾尔派克电磁阀ZSLG221515-CRB170 DN15 耐压 10MPa 24V 电磁阀 包邮 1 360 360
江苏方华阀门充灌设备厂编制管 10MPa   2 150 300
新建江苏方华阀门充灌设备厂编制管 15MPa   2 150 300
T2紫铜棒  1 116 116
测温枪和运动相机(运动相机在试验的时候被火烧损坏了) 300 1 300
15L钢瓶 2 265 530
304不锈钢 30mm外径 650mm长  1 90 90
隔热棉 1 88 88
液化气和煤油以及液氧氮气氩气的价格 1 460 460
线切割 1 180 180
实际批准:9197元,实际花费:14728元,退还金额:0元
项目状态
  • 提交申请
  • 网友支持(3)
  • 专家审核
  • 管理员复核
  • 第1期拨款(5297元) 完成
  • 第2期拨款(3900元) 完成
  • 结题
拨款详情
序号 金额 状态
第1期 5297元 已拨款
第2期 3900元 已拨款
最新进展
系统5 个月前
提交申请表
系统5 个月前
用户信息通过审核
系统5 个月前
项目信息未通过审核,等待申请人修改。审核意见:项目介绍中缺少对研究背景的陈述和研究必要性的探讨;研究路线基于商品离心喷注器,有“削足适履”的问题;研究目标不明确,预期成果不清楚,且未阐明关键指标,没有评价研究成效的标准。研究方法古旧,没有“站在巨人的肩上”,无法产生可叠加的进步。没有描述现有物质条件和人员条件,靠一个人在预计的120天研究周期内很难完成研究,可能造成项目超期。请参考开题报告的内容要求,针对上述问题进行修改。
系统5 个月前
资金预算未通过审核,等待申请人修改。审核意见:预算主要涉及造发动机,与项目名称不一致。请在修订后的研究计划的基础上,重新制定项目预算。
系统4 个月前
提交申请表
系统4 个月前
用户信息通过审核
系统4 个月前
项目信息未通过审核,等待申请人修改。审核意见:1、标题(项目名称)有语法错误。  
2、正文逻辑混乱。例如,未对章节进行妥善的划分。出现了“首先”,却找不到“其次”。  
3、存在重复语句,错别字,语法错误等基本的中文使用问题,排版不工整。  
4、从项目内容的逻辑链条以及项目预算来看,现阶段该项目成败的核心在于加工。然而,整个项目内容,只有6个字阐述这方面核心内容。说明项目计划重点不突出、不明确,对关键问题认识不够透彻,项目计划水平难以保证项目的正常实施。  
5、正如4所述,未阐述加工的方法和工艺要点。  
6、有引用他人的图片未声明的情况。 
7、未说明燃料组合,似乎是液氧煤油组合。在申请人的既往经历中,没有设计、制造、试验过液氧煤油发动机,也未阐明本项目用液氧煤油发动机的基本情况,及其与所述喷注器的关系,存在不可控变量。  
系统4 个月前
资金预算未通过审核,等待申请人修改。审核意见:1、“加工保守估计”属于未明确的预算,到底有哪些加工,要用到哪些工艺?  
2、 预算不能得到项目内容的支持。项目内容中并未阐明加工需求,而预算中列出了加工费且加工费占到大部分比例。  
3、用整块不锈钢锭掏出燃烧室是否合理。
系统4 个月前
提交申请表
系统4 个月前
用户信息通过审核
系统4 个月前
项目信息未通过审核,等待申请人修改。审核意见:1、倒数第二张图未注明出处。2、项目主题依然不够清晰明确。对于这种工程技术研究,要力求把知识或者技术向前推进一点点,而这一点点是什么,项目的主题就是什么。3、离心喷注器是否适用于小至2kN的发动机,需要论证,必要时扩大规模。4、(参考)喷注器的性能评估方法缺少定量或者半定量的依据,似乎只能依靠“目测”。技术研究中应当尽力寻找定量或半定量的控制指标,并寻找、研究测试方法,寻找优化路径。基于这个原则,本项目可以分割为离心喷注器设计验证,和液氧煤油发动机(基于离心喷注器)设计与验证两个部分。离心喷注器应当是液氧煤油发动机的子项目,但是在预研中,需要掌握离心喷注器的指标,才能在设计发动机时有参数可依;或者根据发动机的设计目标,指定离心喷注器的必要指标。一个可能的方案是,设计发动机,并提出对喷注器的要求。在多种喷注器中,根据文献研究,决定尝试离心喷注器。根据发动机的设计目标,计算喷注器的必要指标,然后设计喷注器。使研究的逻辑简洁明了,研究步骤清晰可控。
系统4 个月前
资金预算未通过审核,等待申请人修改。审核意见:考虑到研究内容可能需要修订,请按照修订后的研究内容修订预算。
系统4 个月前
提交申请表
系统4 个月前
用户信息通过审核
系统4 个月前
项目信息通过审核。审核评语:似乎该项目是《离心式喷嘴的CFD仿真》的上级项目,而不应该是子项目。
系统4 个月前
资金预算未通过审核,等待申请人修改。审核意见:1、部分产品型号厂家不明,无法核准价格(如阀门)。2、部分材料价格偏高,例如角钢、铝合金棒料(假设是运输成本导致的)。3、未列明运输费用。
系统4 个月前
提交申请表
系统4 个月前
用户信息通过审核
系统4 个月前
项目信息通过审核。审核评语:似乎该项目是《离心式喷嘴的CFD仿真》的上级项目,而不应该是子项目。
系统4 个月前
资金预算通过审核
系统4 个月前
管理员复核通过,开始项目。审核评语:同意资助,中期评审要求:  
1、材料采购情况说明;  
2、仿真说明;  
3、详细实验方案,初步设计说明。  
系统4 个月前
第 1 期拨款 5297元 完成
系统3 个月前
第 1 期申请人确认收款
地震带上的人3 个月前
由于学业原因,这段时间*(至7.2)只是物资的采购,并无开展制作的活动。7.3开始本人回国,再此申请第二批资金希望回国后能够立刻开展下一步的工作!
系统3 个月前
申请第 2 期拨款
系统3 个月前
第 2 期拨款申请未通过审核
报告缺乏实质内容。
请阐明:在第一期资助期间,理论研究和工程设计的具体推进情况,披露细节设计方案。对于采购事项,阐明各材料到货情况,分享供应链管理方面的经验教训心得体会。
地震带上的人3 个月前
中期报告详细内容见附帖
理论方面验证详细内容见附帖
目前进度:理论验证阶段已经结束,目前开展材料采购工作,由于本人在国外,所以目前有部分材料尚不能及时采集(7.2回国);且若是加上加工的话,资金已经不足,在此申请第二批资金的拨款。
系统3 个月前
申请第 2 期拨款
系统3 个月前
第 2 期拨款申请通过审核
系统3 个月前
第 2 期拨款 3900元 完成
系统2 个月前
第 2 期申请人确认收款
成功进行了国内第一次全离心式喷注器的低温发动机实验,验证了爱好者制作这种高精度喷注器的可行度以及CFD模拟对于该喷注器工况模拟的准确性
系统6 天前
提交结题申请
系统6 天前
结题报告审核未通过,等待申请人修改。审核意见:缺乏设计细节描述,且项目总结中的第四项结论无法从前文中的描述中总结得出。
成功进行了国内第一次全离心式喷注器的低温发动机实验,验证了爱好者制作这种高精度喷注器的可行度以及CFD模拟对于该喷注器工况模拟的准确性
系统5 天前
提交结题申请
系统5 天前
结题报告审核通过
系统5 天前
完成

[修改于 3 个月前 - 2019-06-20 18:03:11]

来自 科创基金喷气推进
2019-5-5 22:45:29
1楼
我个人赞助1000人民币 (●ˇ∀ˇ●) 大概6月中旬支付宝转给你。
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2019-5-6 21:53:39
2楼
墙裂支持!!!
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2019-7-2 23:33:03
2019-7-2 23:33:03
3楼

注意安全,液氧煤油炸起来威力是比较大的。

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