MEMS-SPMT噴管內的粘性和熱損失研究①

吳素麗，胡松啟，張 斌，劉迎吉，劉 凱，王鵬飛

(西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

0 引言

基于MEMS的固體微推力器(MEMS－based solid propellant microthruster，MEMS－SPMT)尺寸小，微沖量精確度高，集成性好，在微小衛星姿軌控技術中具有廣闊的應用前景［1－2］。隨著微推力器的火箭發動機尺寸的縮小，其面積容積比增大，微噴管內的雷諾數特別低(一般低于 1 000)，粘性耗散特別嚴重［3－4］;同時，噴管殼體材料通常選用硅(熱導率較高)，高溫氣體向壁面的熱傳導嚴重［5－6］。因此，需研究微噴管內的換熱和粘性效應對微噴管推力性能的影響。

國內外關于微推力器噴管內的粘性耗散以及熱量損失做了很多的研究工作。Bayt和Breuer最早研究了超聲速微噴管內的流動狀態，發現粘性亞聲速層對流場的作用較大，推力損失較大［7－8］。2003年，Kujawa J和Hitt D L等用CFD軟件研究了NASA/GSFC的雙組元發動機噴管的性能，得出的結論是降低固壁溫度，能降低噴管12%的推力，較大的噴管擴張角能減小粘性作用［9］。2007年，Louisos W F和 Hitt D L研究了2D和3D超聲速微噴管內的粘性和熱效應對噴管性能的影響。結果表明，在三維模擬中，粘性作用更加明顯，流動產生的熱損失能降低粘性作用，提高微噴管的性能［3，5］。2002年，國內李德桃等研究發現，通過燃燒室壁面的熱損失很大，出口溫度降低了13%［10］。2009年，楊海威等采用直接蒙特卡羅法，建立微噴管流場和壁面溫度場耦合仿真模型，研究了以壁面固定溫度加載和以時間更新的熱流密度加載2種工況下微噴管的熱損失［11］。

本文從湍流模型、噴管壁面初始溫度和噴管構型3方面研究噴管內的粘性和換熱損失，利用多參數分別評價亞聲速邊界層造成的粘性損失和高溫燃氣向固體壁面的傳熱損失對微噴管性能的影響。……