科学与技术研究推进优化微喷嘴性能的数值研究

微喷嘴是电热微推进器的核心部件，具有微米级几何形状、二维拉瓦尔结构、矩形横截面以及由 MEMS 制造而成的高导热硅壁。因此，流场中的粘性损失和向喷嘴壁的传热会强烈影响喷嘴性能，即推力和比冲量。陈晓前、李星辰等人在《Space: Science & Technology》杂志上发表的新论文中。报告通过多物理场耦合仿真以及基于仿真结果的设计优化对 MEMS(微机电系统)微喷嘴进行数值研究。

与原型MEMS推进器相同，模拟微喷嘴由3个几何部分组成，即上覆盖层、基底和微喷嘴本身。上覆盖层具有 Pyrex 玻璃的特性，基板具有硅的特性(图 3)。为了更好地理解气流与微喷嘴壁之间的热力学相互作用，采用了流动动力学场和固体传热场的数值模拟耦合。

1、壁面传热的影响

原型微喷嘴在导热和绝热状态下进行测试，以揭示壁传热对喷嘴性能的影响。壁面传热导致 2 个结果。首先是流动能量的损失以及比冲的降低。第二个是由于平行和会聚管道中的温度降低而导致的质量流量增加。此外，通过比较表3中的2种喷嘴性能进行定量分析。根据计算，壁传热导致比冲损失13.1%，质量流量增加19.2%。综合作用下，推力总共增加了4.8%。

2. 线性微喷嘴的设计优化

2.1收敛风道设计优化

由于拐角处的流动停滞，直转侧壁会导致性能损失(图 14)。为了消除角涡，在平行风道和汇聚风道的侧壁上设置了半径为400μm的圆角。随着半会聚角的增大，推力增大，比冲减小，这种趋势通常与半发散角无关。对于较大的会聚角，圆形车削显示比冲量有较大改善(图 15)。

2.2喉部设计优化

传统喷嘴几何形状的特点是侧壁具有急转弯，这种设计根据不同的转弯角度导致不同程度的流动分离。弧形转弯喉管可使工作液紧贴侧壁顺畅关闭。

图 16 提供了当所有其他几何参数保持相同时，带有和不带有弯曲喉管的微喷嘴中的流量比较。

图 17 和 18 显示了喷嘴性能如何随着半发散角和喉部曲率半径的变化而变化。半收敛角在几何学上定义为60°。喉道设计对推力影响较大，对比冲影响较小，但推力和比冲均与曲率半径有相似的变化趋势。喉部半径为 160 μm 的喷嘴优于其他喷嘴，推力增加约 3%，比冲增加 1%。

2.3扩展器设计优化

图19所示为喷嘴性能与膨胀机结构参数的关系。参数模拟在半发散角15°和30°之间以5°为间隔，出口喉部比在3到10之间进行。对于较大的半发散角，最佳出口喉部截面比随着较大的半发散角允许较短的膨胀器，这导致在相同出口喉比的情况下较小的粘性损失。

2.4通过CobyLA进行优化设计

根据以上分析，对于最大比冲，半收敛角可定为60°，喉部半径可定为160μm。然而，半发散角(θ div)和出喉截面比(R ex)的准确值有待进一步研究。CObyLA 使用不同的初始值进行了几个优化程序，优化过程如图 20 所示。优化设计特征的全局收敛R ex 为 6.20，θ div 为 16.9°。因此，具有R ex的线性膨胀机微喷嘴 6.20和θdiv为16.9°被认为是最佳设计，与原型微喷嘴相比，推力增加了7%，比冲增加了2%。

3. 最佳微喷嘴的性能

为了进一步减少出口处的非轴向速度损失，引入了钟形膨胀机。钟形膨胀机的定义，参考具有3个自变量的抛物线定义，即出口与喉部截面比(R ex)、喉部半发散角(θ喉部)和相对长度(RL )(图21)。图 22 展示了线性膨胀器最佳微型喷嘴与钟形喷嘴之间的流场比较。如图所示，出口部分的非轴向速度被钟形轮廓有效地降低。

通过CObyLA选择最佳参数集，并将钟形设计与线性膨胀机设计在不同喉道雷诺数下的性能进行比较。与预期相反，最佳线性膨胀器设计在推力和比冲方面均优于钟形膨胀器。这一结果可归因于折返几何形状，导致压缩波指向中心对称平面。与线性膨胀微喷嘴相比，低速边界层在中心对称面附近的积累导致低速流部分增加2%至3%。因此，线性膨胀器被认为是 MEMS 微喷嘴的合适设计。

为了进一步验证本文通过仿真方法进行的线性膨胀微喷嘴与钟形微喷嘴的性能比较，将在下一步研究中进行实验测量。

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