热推力器层板换热芯流动与传热分析

【摘要】：现阶段,对各种推进技术的研究都在如火如荼地进行。基于热推进原理的微推进系统,也因为它广泛的应用性而备受关注。一个推进系统设计的好坏,主要看它的推力室设计的合理与否。本文则围绕某太阳能热微推进器推力室的重要组成部分——层板换热芯展开相关研究工作。首先,为了能够对推力室中层板换热芯的内流场进行数值模拟,推导了其内流场气体必须满足的控制方程,且采用了有限体积方法进行离散以提高计算结果的精度,并对离散后的各项进行了线性化处理,以便能够应用自编程序进行计算求解。建立了所研究问题的二维及三维计算模型,分别在二维及三维时,对两种几何尺寸的模型计算得到的结果进行了对比分析。结果表明,二维模型下,层板换热芯通道截面的改变对流场参数的影响很小;而在三维模型下,截面的增大使流场马赫数相对降低,流场压强相对升高,但对温度及密度的影响较小。这些关于推力室流场的模拟计算数据对推力室的设计具有指导作用,可以通过改变通道截面的大小来改变气体流动的速度,进而改变所产生的推力。其次,为了提高计算效率,采用了并行方法。在对并行方法做了简要叙述之后,对简单并行算例进行了验证,得出了区域并行的思想是可行的。然后将并行方法应用到本论文研究问题上,再次计算得出结果,并将所得结果与上一章的结果进行了比较分析,再次验证了方法的正确性。最后,对通道处的微小尺度流动利用DSMC方法进行流动及传热的仿真。简要介绍了求解稀薄气体动力学的DSMC方法,并将上一章提到的并行方法直接应用到DSMC中。在对带有并行思想的DSMC方法检验正确后,利用该方法对本论文研究问题的二维模型在稀薄条件下进行了数值模拟。结果表明,在稀薄情况下,流场与在连续流情况下得到的结果是不同的,温度、马赫数等参数的分布有其独特的特点。
【关键词】：层板 有限体积法 DSMC 并行方法 数值模拟 微尺度通道
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V430