吴素丽，胡松启，张 斌，刘迎吉，刘 凯，王鹏飞

(西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072)

0 引言

基于MEMS的固体微推力器(MEMS－based solid propellant microthruster，MEMS－SPMT)尺寸小，微冲量精确度高，集成性好，在微小卫星姿轨控技术中具有广阔的应用前景［1－2］。随着微推力器的火箭发动机尺寸的缩小，其面积容积比增大，微喷管内的雷诺数特别低(一般低于 1 000)，粘性耗散特别严重［3－4］;同时，喷管壳体材料通常选用硅(热导率较高)，高温气体向壁面的热传导严重［5－6］。因此，需研究微喷管内的换热和粘性效应对微喷管推力性能的影响。

国内外关于微推力器喷管内的粘性耗散以及热量损失做了很多的研究工作。Bayt和Breuer最早研究了超声速微喷管内的流动状态，发现粘性亚声速层对流场的作用较大，推力损失较大［7－8］。2003年，Kujawa J和Hitt D L等用CFD软件研究了NASA/GSFC的双组元发动机喷管的性能，得出的结论是降低固壁温度，能降低喷管12%的推力，较大的喷管扩张角能减小粘性作用［9］。2007年，Louisos W F和 Hitt D L研究了2D和3D超声速微喷管内的粘性和热效应对喷管性能的影响。结果表明，在三维模拟中，粘性作用更加明显，流动产生的热损失能降低粘性作用，提高微喷管的性能［3，5］。2002年，国内李德桃等研究发现，通过燃烧室壁面的热损失很大，出口温度降低了13%［10］。2009年，杨海威等采用直接蒙特卡罗法，建立微喷管流场和壁面温度场耦合仿真模型，研究了以壁面固定温度加载和以时间更新的热流密度加载2种工况下微喷管的热损失［11］。

本文从湍流模型、喷管壁面初始温度和喷管构型3方面研究喷管内的粘性和换热损失，利用多参数分别评价亚声速边界层造成的粘性损失和高温燃气向固体壁面的传热损失对微喷管性能的影响。……