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太阳能热推进系统中吸热/推力室的流场及性能分析

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英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 太阳能热推进系统概述

1.1.1太阳能热推进概念的提出

1.1.2太阳能热推进系统组成及工作原理

1.1.3太阳能热推进技术研究的热点问题

1.2 太阳能热推进系统中工质气体动力学研究进展

1.2.1工质的概念及特性

1.2.2工质氢气的动力学研究现状

1.2.3工质氨气的动力学研究现状

1.3 高温气体动力学行为研究

1.3.1气体动力学的分类

1.3.2气体一维定常流动的应用

1.3.3气体一维定常流动的基本方程组

1.4 本论文研究内容及创新点

第2章太阳能热推进系统中的能量转换分析

2.1高通量太阳辐射能量的传输

2.1.1太阳辐射的特性

2.1.2二次聚光技术的应用

2.1.3光纤技术的应用

2.2吸热/推力室的构型与选材

2.2.1吸热/推力室的结构特点

2.2.2吸热/推力室的材料选取

2.2.3喷管的热防护材料选取

2.3能量转换计算公式

2.3.1光热转换计算公式

2.3.2热传导计算公式

2.4本章小结

第3章太阳能热推进系统中吸热/推力室的建模及分析

3.1 FLUENT软件在STP系统流场分析中的应用

3.1.1 FLUENT软件的优势

3.1.2 FLUENT解决问题的步骤

3.1.3 FLUENT边界条件的处理

3.2 STP系统构型选参及性能的理论估算

3.2.1 STP系统结构参数选取

3.2.2以氨气为工质的理论估算

3.2.3以氨气为工质的理论估算

3.2.4理论结果分析

3.3工质气体的动力学模型

3.3.1建立传热模型与流动模型

3.3.2网格划分

3.3.3确定边界条件

3.3.4确立动力学方程及湍流模型

3.4本章小结

第4章太阳能热推进系统中吸热/推力室的仿真模拟及分析

4.1以氨气为工质的仿真模拟与分析

4.1.1流场分析及系统性能计算

4.1.2模拟结果分析

4.2以氢气为工质的仿真模拟与分析

4.2.1流场分析及系统性能计算

4.2.2模拟结果分析

4.3影响STP系统性能的因素分析

4.3.1喷管构型对STP系统性能的影响

4.3.2壁面温度对STP系统性能的影响

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

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摘要

太阳能热推进(STP)是一项新概念、新技术,属于特种推进系统。该系统主要由太阳能聚光器,吸热/推力室,工质贮存与供给系统组成,通过太阳能聚光器聚集的高密度太阳辐射能经过吸热腔的吸收,热传导给工质气体,然后在推力室内工质的高温热能转化为动能进而产生推力,从而实现工质的超高速喷出。与太阳能电推进(SEP)相比,STP的能量利用率高,它是直接利用太阳能加热工质,既省去了结构复杂的电源管理系统,又使总的能量利用率达到60[%]-70[%],而一般的电推进是利用太阳能帆板产生电能,然后用电能产生推力。由于太阳能帆板的光电转换效率仅为20[%]左右,故损失了大部分的光能。与化学能推进相比,STP具有比冲高,并且污染小,推进剂消耗量少、无毒、经济性好等优点,对于同样的空间飞行任务,可以大量节省燃料,增大有效载荷。因此,作为未来微-纳卫星飞行器的动力,进一步完善深空探测、空间轨道转移和姿态调控,STP具有巨大的发展潜力。
   本论文应用Gambit网格划分软件和FLUENT流体计算软件,通过对太阳能热推进系统中吸热/推力室内工质气体的流动情况进行仿真模拟分析,得出如下结论:
   (1)工质氢气和工质氨气的流场分布规律一致。在流速分布场中,喷管的喉管部位(最小截面处)的马赫数接近于1,符合拉伐尔喷管的流动特性;在温度分布场中,喉管部位温度小于2300K,避免了烧蚀喉管的现象(喉衬热解石墨的熔点3922K)。
   (2)在取壁面温度为2300K,喉管直径取为3mm,收敛半角取为30°,扩张半角取为20°,喷管的膨胀面积比为100时,以氢气为工质气体的STP系统的比冲和推力分别可达770s和1.17N,以氨气为工质气体的STP系统的比冲和推力分别可达388s和0.59N。相同参数条件下,通过理论公式计算得出:工质氢气的比冲和推力分别为781s和1.18N;工质氨气的比冲和推理分别为405s和0.61N。模拟值逼近于理论值。
   (3)喷管构型对STP系统性能的影响不容忽视。喉管直径对工质的质量流量的影响较明显,直径越大,流量越大,但对比冲的影响却出现了转折,当喉管直径大于某一值时,比冲不升反降;收敛半角对工质流量的影响不明显;扩张半角越大,喷管出口的平均流速越大,但由于扩张半角引起的扩张损失的影响,比冲降低。
   (4)温度对比冲的影响比较明显。温度越高,比冲越大。太阳能热推进系统可以实现较高的工质温度,因而考察温度因素对提高STP系统的性能具有一定的参考指导意义。

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