溅板式层板喷注单元燃烧特性数值分析*

层板技术自20世纪60年代被提出以来，由于其特殊的流道构型、精确的尺寸定位，以及能解决各种复杂的流动及传热问题而得到了快速发展[1]。近年来国内外对层板技术进行了大量的研究，出现了许多新型的层板应用装置，如飞行器层板式前缘热管[2]、层板式流体混合器、层板式发汗冷却鼻锥[3]、层板换热芯[4]、层板侧喷鼻锥、高速船推进器等[5]，可以说层板技术是科技发展史上一次重大的技术革新。

层板式喷注器是美国Aerojet公司在20世纪70年代研制的一种新型的液体火箭发动机喷注器。相比于传统的喷注器，层板式喷注器采用层板光刻和层板真空扩散焊技术，突破了传统机加工工艺的约束，能实现精确定位及尺寸要求。层板式喷注器本身结构的特殊性可保证燃料和氧化剂在层板流道内就开始进行撞击、雾化和混合，从而缩短燃烧距离，减小发动机特征长度、结构尺寸和结构质量，获得更高的燃烧效率；层板式喷注器还可实现精确流量控制和自冷却功能，具有集液腔容积小、响应特性好、脉冲小、比冲大等特点[6]。目前层板式喷注器主要用于远地点发动机、航天飞机轨道机动发动机以及小推力姿控发动机中，推力范围为2.25～180 000 N。国内外在层板式喷注器的设计、试验及性能分析等方面做了大量的研究工作，但一般都是通过冷试、热试多次修改设计方案后获得成功的，采用数值仿真进行性能分析的少有文献发表，有关层板式喷注器结构参数对流动及燃烧特性的影响等理论方面的研究基本上也处于空白。文献[7]最早开展了航天飞机轨道机动发动机层板式喷注器的研究，对6种不同结构的层板喷注单元(X-双股式、溅板式、V双股式、涡流式、90°双股自击式、互击式)进行了设计及试验研究，分别从水力特性、喷雾特性、混合及燃烧性能等方面对其进行了详细的实验研究，实验结果表明：6种不同结构中，溅板式层板喷注单元具有热相容性好、对温度及工况不敏感的优点，其次是X-双股式单元。国内雷凡培等[8]采用冷流试验方法对典型的溅板式层板喷注单元混合特性进行了研究；在流动及混合特性的试验及机理方面国内学者也进行了许多相关研究[9-10]。

为了满足推力室需要、降低成本、缩短研究周期，设计出具有高燃烧性能、可靠热防护的层板喷注器。本文对单喷嘴溅板式层板喷注单元进行数值仿真研究，从温度场及组分分布等方面考察燃烧室特征长度及出口层喷嘴宽度对喷注器流动及燃烧特性的影响。

1 计算方法与模型参数

1.1 模型参数

计算对象为100 N气氧/甲烷发动机，参考同轴式气-气喷注器燃烧室设计方法，发动机头部采用层板式喷注器，单个喷嘴推力F=12.5 N。表1列出了气氧/甲烷发动机设计参数。喷注单元结构示意及尺寸参数如图1所示。在喷注器模型设计中保持出口层喷嘴间距D、扩张角γ、中间层喷嘴宽度L、中间层厚度H2及出口层厚度H3等参数不变，只改变出口层喷嘴宽度，其值分别取0.15 mm，0.45 mm，0.75 mm，1.05 mm，其中L1=1.05 mm已为出口层喷嘴宽度的极限位置。计算区域网格划分如图2所示。

 

表1 发动机设计参数

 

Tab.1 Parameters of thrust chamber

  

参数数值燃烧室设计压力/MPa0.85混合比(氧化剂/燃料)3.2总质量流量m/(g/s)5.5氧化剂及燃料入口温度/K298.15燃烧室直径/mm8.6喉部直径/mm3.84理论特征速度/(m/s)1827.3

  

图1 喷注单元结构示意图Fig.1 Schematic diagram of splash platelet injector

  

图2 计算区域网格划分Fig.2 Grid of the calculation domain

1.2 控制方程

采用时间相关法求解气-气燃烧流场，采用控制体积法离散方程[11]：

 

(1)

稳态过程取其中φ为通用变量，P0为控制容积节点，Pj为周边节点，V为控制容积体积，j为控制容积中界面的角标，N为控制容积的界面数，a0和aj分别是离散方程中对应P0和Pj的算子系数，b0是离散方程源项。

RTB Bor是塞尔维亚国有铜业公司，曾经是该国的核心工业项目，控制MS、VK、NC、JM四个矿山和一个冶炼厂，是该国唯一的铜矿在产项目。

1.3 湍流模型

湍流模型采用标准的双方程k-ε模型：

问题情境的创设能够让学生认识到数学的应用价值，通过问题创设，小学生能够对生活中存在的数学问题进行思考。有助于促进学生对数学知识的学习。例如∶在学习元角分知识时，数学教师应该做好备课，在课程开展时对“到超市帮家长购买生活用品”的情境进行创设，然后通过多媒体进行超市、物品以及标价的展示，让小学生有身临其境的感觉，进而推动学生进入到问题情境中，主动地进行问题的思考，从而实现小学生的高效学习。

 

(2)

 

 

(3)

[11] 王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社， 2004.

主论坛上，中国信通院发布了《物联网白皮书（2018年）》，该白皮书由中国信通院联合中国信通院西部分院（重庆信息通信研究院）、物联网智库、上海市物联网行业协会、杭州市物联网行业协会、中信建投证券股份有限公司、国家智能传感器创新中心联合撰写，内容涵盖全球物联网最新发展态势、应用发展情况、关键技术产业进展、我国物联网发展现状及发展建议等多个方面。

湍流速度为：

 

(4)

广州市是珠江三角洲城市群的中心腹地，接近珠江流域下游入海口，境内河流水系发达，大小河流众多，水域面积广阔（陈康林等，2016）。改革开放以来，广州市社会经济高速发展，人口数量快速增长，所产生和排放的污水量比较大（周志洪等，2017）。

1.4 化学动力学模型

目前，描述甲烷燃烧的详细反应机理中包含几十种组分、几百个基元反应，各种组分涉及的反应特征时间尺度差异巨大，将其直接耦合到数值计算中将带来极大的数值刚性和计算效率问题。为了克服上述不足，确定适用于气氧/甲烷燃烧的简化化学反应机理，采用热力学软件计算得到气氧/甲烷燃烧的9组分总包反应简化模型，如式(5)所示，并对该简化反应模型的适应性进行了验证，结果表明该简化模型是可行的。在描述湍流与化学反应的交互作用方面考虑采用涡耗散概念(Eddy Dissipation Concept, EDC)进行描述[12-13]。

CH4+1.527O20.33CO2+0.662CO+1.454H2O+

0.371H2+0.134H+0.216OH+0.047O

(5)

2 结果及分析

2.1 网格无关性验证

为了保证网格无关性，取出口层喷嘴宽度为L1=0.75 mm，三种结构网格下计算区域进行数值计算，燃烧室头部及壁面区域网格均进行了加密处理，网格数分别选取：17万，35万，51万。其中网格数量取51万时，计算得到的喷管入口处主要燃烧产物质量分数与热力计算值基本相同。图3为三种网格下燃烧室温度轴向分布结果。可以看出，不同网格质量下燃烧室温度计算值差别很小，证明了数值计算的收敛。根据网格收敛结果比较，采用网格数为35万的结构网格对计算域进行划分。

  

图3 网格无关性验证Fig.3 Grid independence study

2.2 燃烧室特征长度对燃烧特性的影响

燃烧室特征长度对推进剂燃烧程度有较大影响。燃烧室特征长度增加，一方面会导致推力室容积和重量增大，另一方面会增大所需冷却的表面积，使热阻增加不利于冷却。通常确定一个新的燃烧室特征长度，很大程度上依赖类似的推进剂和发动机尺寸经验。对于气氧/甲烷层板式喷注器，由于没有可参考的发动机类型，设计中借鉴了采用气氧/甲烷的发动机的特征长度来进行计算[14]。洪燕等[15]计算了燃烧室特征长度分别为300 mm、400 mm、500 mm、600 mm的气氧/甲烷发动机，通过对比发现，当特征长度取L*=600 mm时，燃烧效率最高，但此工况下壁面热载最大。对于气氧/甲烷燃烧，由于其燃烧化学反应速率相对于氢氧燃烧慢得多，因此所需的燃烧室长度更长。高玉闪[16]对气氧/甲烷、气氧/气氢同轴式喷注器燃烧室特征长度进行了对比分析，研究结果表明：相同条件下，相对于氢氧燃烧特征长度800 mm，甲烷燃烧的特征长度为1180 mm，可见设计参数相似的情况下，气氧/甲烷燃烧所需特征长度比氢氧燃烧所需特征长度长，约为其特征长度的1.5倍。

在研究喷注器设计参数对其燃烧性能的影响时，主要考察其对温度分布、组分分布及燃烧效率的影响。在仿真过程中，固壁面均采用绝热条件进行计算，因此并不能代表真实的壁面温度，但是对于定性地分析设计参数对壁面热载的影响具有同样的参考价值[14]。

  

图4 燃烧室特征长度对特征速度的影响Fig.4 Effect of characteristic chamber length on characteristic velocity

图4为燃烧室特征长度对特征速度的影响。从图中可以看出，燃烧室特征长度为L*=300 mm时，计算得到燃烧室特征速度为C=1684.8 m/s，采用热力学计算软件得到的理论特征速度C*=1827.3 m/s，即特征长度取300 mm时采用气氧/甲烷层板式喷注器的特征速度效率约为92.2%。随着燃烧室特征长度的增大，喷管入口处推进剂特征速度逐渐增加，当L*=600 mm时，特征速度效率达到99.0%，其后继续增大特征长度对特征速度效率则影响不大。由于特征长度值过大会引起重量增大及热阻增加等问题，因此这里选择特征长度L*=600 mm作为气氧/甲烷层板式喷注器的燃烧室特征长度，此时对应的燃烧室圆筒段长度约为120 mm。对比文献[16]结果可以得到，相对于气氧/甲烷同轴式喷注器燃烧，采用层板式喷注器能大大缩短燃烧室的特征长度。图5为采用热力学计算软件得到的余氧系数α及燃烧室压力PC对特征速度的影响。从图5中可以看出，燃烧室压力一定时，特征速度随余氧系数的增大而先增大再减小。本文取余氧系数α=0.8进行热力计算。

证 设An=“投掷第n次时首次接连出现r次正面”,n≥r,则An+r=“投掷第n+r次时首次接连出现r次正面”．事件An+r=B0+B1+…+Bi+…+Br-1,其中B0表示事件“投掷n+r次,最后r次连续正面,而第n次为反面,第n-1次为反面”,Bi(1≤i≤r-1)表示事件“投掷n+r次,最后r次连续正面,而第n次为反面,第n-1,…,n-i次为正面,第n-i-1次为反面”,显然Br-1表示事件“投掷n+r次,最后r次连续正面,而第n次为反面,第n-1,…,n-r+1次为正面,第n-r次为反面”．

  

图5 余氧系数及燃烧室压力对特征速度的影响Fig.5 Effects of excess oxidizer coefficient and chamber pressure on characteristic velocity

2.3 中间层板宽度对燃烧特性的影响

2.3.1 温度分布

层板喷注器本身结构的特殊性能保证燃料和氧化剂在喷注器流道内就开始进行撞击、雾化和混合，从而能有效缩短燃烧距离，减小发动机的特征长度，获得更高的燃烧效率。本文中分别选取了特征长度L*为300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm进行计算。

图6为不同出口层喷嘴宽度下燃烧室不同截面上燃气温度仿真结果。从图中可以看到，采用气氧/甲烷燃烧的9组分总包反应得到的燃烧流场最高温度约3400 K，与甲烷的理论燃烧温度接近。图7为出口层喷嘴宽度对燃烧室温度分布的影响，从图中可以看出，当出口层喷嘴宽度取L1=1.05 mm时，燃烧室头部区域截面温度上升最快，L1=0.45 mm时上升最慢。总的来说，出口层喷嘴宽度取L1=0.75 mm时，壁面燃气温度上升最快，且能在较短的燃烧室长度内达到其理论燃烧温度。出口层喷嘴宽度主要影响其撞击角，由于溅板式层板喷注单元结构的特殊性，燃料与氧化剂撞击后在喷注面板附近及燃烧室轴向方向上均产生较强的燃气回流，如图8所示。受燃气回流的影响，喷注面板及头部局部区域温度较高。燃气回流虽然有利于提高推进剂的混合及燃烧，但会对喷注面板的热防护产生不利影响。

ROC曲线分析显示：IL-6、IL-8、IL-1β、CRP对脓毒症儿童G-6-PD缺乏症恶化具有显著的预测价值。

  

(a) L1=1.05 mm

  

(b) L1=0.75 mm

  

(c) L1=0.45 mm

  

(d) L1=0.15 mm图6 燃烧室温度分布Fig.6 Temperature contours of the chamber

  

图7 出口层喷嘴宽度对燃烧室温度分布的影响Fig.7 Effects of nozzle width of the faceplate on chamber temperature distribution

  

图8 燃烧室头部回流区域Fig.8 3D view of the streamline near faceplate

2.3.2 组分分布

当余氧系数α=0.8、燃烧室压力PC=0.85 MPa时，取特定几种燃烧产物CO2、CO、H2O、O、H、OH、H2进行热力计算，计算结果显示，氧气和甲烷燃烧达到化学平衡时的主要产物为CO2、CO、H2O，其摩尔分数分别为10.96%、19.23%、43.82%，其值越接近热力计算的平衡值,则说明燃烧程度越完善。表2为不同出口层喷嘴宽度下喷管入口处三种主要燃烧产物的摩尔分数表。由表可见，H2O和CO摩尔分数与热力计算值差别不大，CO2的摩尔分数与热力计算结果存在一些差异，分析其原因主要是在对化学动力学模型进行简化时，忽略了一些重要的产物(如CH3、HCO、CH2O等)，但该结果对于定性分析流场组分分布具有一定的参考价值。

 

表2 不同出口层喷嘴宽度下喷管入口处三种主要燃烧产物的摩尔分数表

 

Tab.2 Mole fraction of main products %

  

产物热力计算结果不同L1下仿真结果0.15mm0.45mm0.75mm1.05mmH2O43.8839.1643.8043.9243.27CO210.969.929.829.879.69CO19.2319.9019.6919.7919.45

图9(a)所示为燃烧室内O2剩余摩尔分数图，可以看出在燃烧室前段各工况下O2摩尔分数下降趋势差别较大，燃烧剧烈，O2消耗较快。对于甲烷燃烧，主要产物中H2O摩尔分数比例最大，因此可通过分析燃烧室截面上H2O摩尔分数沿轴向的分布来揭示推进剂的主要燃烧区域及燃烧完成度，这里定义H2O摩尔分数达到热力计算值的90%作为其燃烧长度LC。从图9(b)中可以看出，出口层喷嘴宽度L1=0.15 mm时，H2O摩尔分数比例较理论值差别较大，燃烧效率低，燃烧不完全；当其值取0.75 mm时，H2O摩尔分数最接近理论值，对应的燃烧长度约为LC=30 mm；继续增大出口层喷嘴宽度对缩短燃烧距离、提高燃烧效率影响不大。

  

(a) O2

  

(b) H2O图9 燃烧产物沿燃烧室轴向分布Fig.9 Axial mole fraction distribution of products

3 结论

相对于传统的同轴式喷注器，采用层板式喷注器能有效缩短燃烧室的特征长度。当特征长度取L*=600 mm时，其特征速度效率可达99.0%，对应的燃烧室圆筒段长度约为120 mm。

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出口层喷嘴宽度主要影响其撞击角，通过对比分析发现，出口层喷嘴宽度取L1=0.75 mm时，壁面燃气温度上升快，能在较短的燃烧室长度内达到其理论燃烧温度；该条件下H2O摩尔分数最接近热力计算值，燃烧长度最短。

为了进一步提高其燃烧效率，应确定合适的喷注器设计参数，并综合考虑层板厚度、出口喷嘴宽度及动量比等参数的影响；在实际应用中建议采用多喷嘴，同时在分析燃烧性能时应综合考虑燃烧室及喷注面板传热及热损失的影响。

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校际联系交流的需求 农村地区的学校分散、规模小、学额少，长时间以来，由于农村人口居住分散，随着“撤点并校”和“村联办学校”的开展，受交通落后、就近上学、本位主义思想和缺乏对规模办学的认识等方面的因素的影响，农村地区的校际交流很少。所以，教育信息化首先要做的就是打破教育信息传播的时空限制，使之不能阻碍教育发展。空中学校和网上学堂的出现在一定程度上解决了困扰农村教育的时间和距离的问题。农村教育信息化帮助学校和外部社会相连，减少学校为及时获得信息而产生的负担。

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于造模后第7、10、14、21、28天时按AI评分标准[7]评价各组大鼠的关节炎严重程度：关节无红肿计0分，趾关节红肿计1分，趾关节和足跖肿胀计2分，踝关节以下的足爪肿胀计3分，踝关节在内的全部足爪肿胀计4分。每个关节最高得分为4分，4个关节得分之和即为每只大鼠的AI。

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其中：μ为动力黏度；ui为速度分量；Gk是由平均梯度引起的湍流动能k的产生项；C1ε和C2ε为经验常数；σk和σε分别是与湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数。

天气炎热不算什么，上了年纪的王老师和苏老师非常耐心地给大家做发声训练，一次又一次地帮助我们调整气息、熟悉动作，艺术的魅力让我静下心来享受与小伙伴一起练习的美妙时光，好像这闷热的天气也没那么难熬了。

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我没心思开玩笑，真的，我现在唯一希望的是能活着，只有这样我才能够再见到小六子。现在我唯一不放心的就是小六子。

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国内外护理教育实施的PBL教学法大多为非经典PBL教学法[9]，即采用过渡性PBL教学或PBL教学法与传统教学法相结合方式。具体步骤如下：

CAI Guobiao, WANG Xiaowei, LI Mao, et al. Gas-gas combustion and gas-gas injector technology of liquid propellant rocket engine[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2012. (in Chinese)

较低温度和微碱性环境是MSU结晶发生的适宜环境。尿酸结合抗体、球蛋白、胶原蛋白、人血清、滑膜液都能够促进MSU晶体成核。尿酸盐浓度升高是唯一确定的促MSU晶体生长因素。NETs也与痛风石的形成密切相关。痛风石形成的机制复杂，NETs以及结缔组织和蛋白质在MSU结晶过程中的具体作用可能是未来主要的研究方向。

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