自燃推进剂组元液滴的亚临界非定常蒸发计算模型

本文详细分析了自燃推进剂组元液滴在高温高压环境下的蒸发——分解燃烧过程。提出了该种液滴的亚临界非定常蒸发计算模型,应用该模型计算了UDMH和N_2O_4液滴在不同环境压力、温度和对流强度下的蒸发常数。计算表明,存在一个界限环境压力,超过这一压力就出现超临界蒸发。对于UDMH,当T_∞=3200°K时,界限压力P_∞=51大气压,而对于N_2O_4,P_∞=120大气压。计算还表明,UDMH的蒸发速度大于N_2O_4的蒸发速度。因而可以得出结论:在一般液体火箭发动机的工作条件下,UDMH为超临界蒸发,而N_2O_4为亚临界蒸发,而且发动机的燃烧过程主要受N_2O_4的蒸发速度所控制。这一结论已为发动机试车所证实。     

亚/超临界环境下航天煤油液滴燃烧理论研究

目前大推力液氧煤油火箭发动机稳定工作时燃烧室达到超临界环境,而现有的液滴蒸发燃烧模型仅适用于亚临界环境,无法用于超临界环境。建立了亚/超临界环境下煤油液滴燃烧仿真计算模型,开展了亚/超临界环境下环境参数对煤油液滴燃烧特性的影响研究。结果表明:随着环境温度的升高,火焰温度大幅增加,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。随着环境压力的增大,煤油液滴燃烧的无量纲火焰半径减小,火焰温度小幅度增大,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。压力振荡环境下,煤油液滴燃烧的液滴蒸发速率、无量纲火焰半径和火焰温度随时间变化曲线的振荡频率与环境压力振荡的频率一致,火焰温度对环境压力振荡尤为敏感。     

偏二甲肼液滴燃烧特性及影响因素实验研究

设计了一套密闭环境液滴燃烧实验系统,开展了不同实验工况下偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)环境中的着火燃烧实验,详细分析了UDMH单液滴着火燃烧特性,考察了燃烧室温度、压力、液滴初始直径及速度对燃烧过程的影响。结果表明,液滴燃烧经历了初始燃烧阶段,剧烈燃烧阶段和熄燃阶段3个过程。其中,初始燃烧阶段和熄燃阶段的持续时间均较长。燃烧过程中,燃烧火焰呈现出明显的双火焰峰结构,内层为规则的椭圆形分解火焰峰,外层为带有尾迹火焰的扩散火焰峰。增加燃烧室温度促使液滴表面与内部的燃料快速蒸发,形成了充足的燃料蒸气环境,有助于液滴的着火燃烧;燃烧室压力的增加加快了反应速度,减少了液滴生存时间;增大液滴下落速度导致液滴表面蒸发流率得到增强,更易产生足够的燃料蒸气,促进燃烧的进行,从而有助于液滴生存时间的减小。     

状态方程对煤油液滴高压蒸发计算的影响

分别基于RK、SRK和PR等不同真实流体状态方程(EoS)建立了包含亚临界和超临界两种不同机制的瞬态液滴高压蒸发模型。针对我国新一代高压补燃液氧/煤油发动机，对煤油液滴在高压N 2 环境下的蒸发过程进行数值研究，重点分析了不同状态方程对N 2 -C 12 H 26 二元系统高压气液相平衡，及进一步对煤油液滴高压蒸发计算的影响。结果表明：对液滴蒸发速率影响最大的参数是液滴表面蒸气质量分数，而对该参数影响最大的则是所选取的状态方程。基于SRK和PR EoSs的高压气液相平衡及液滴高压蒸发计算结果均与试验数据符合较好，可正确描述液滴高压蒸发特性；而基于RK EoS的相平衡计算结果显著高估液滴表面蒸气质量分数和环境气体溶解度，并低估临界混合温度和偏摩尔相变热，进而在亚临界蒸发状态下高估蒸发速率，在超临界蒸发状态下低估蒸发速率。另外，基于RK EoS的计算中液滴发生跨临界转变所需的环境温度显著低于基于SRK和PR EoSs的。     

含纳米铝液体燃料的单液滴燃烧特性实验研究

利用高速摄影系统,采用SiC细丝悬挂方式,在开放环境下开展了纯煤油、煤油/油酸(OA)、煤油/纳米铝粉及煤油/油酸/纳米铝粉四种液体燃料的单液滴燃烧试验。拍摄了四种燃料的单液滴燃烧过程,分别获得了四种液滴的形态变化过程及火焰信息等,分析了纳米铝粉及油酸对含纳米铝液体燃料单液滴燃烧过程的影响规律。通过对比发现,四种液滴的前期燃烧过程基本满足d2定律;添加油酸使煤油液滴稳定燃烧阶段燃烧速率变小,但油酸导致液滴出现微爆现象,此阶段煤油消耗速度加快,总燃烧时间缩短18%;添加纳米铝粉使煤油液滴吸收辐射能力增强,燃烧速率增大20%;液滴微爆时部分纳米铝粉会喷出,剩余纳米铝粉在煤油消耗殆尽后聚集在一起燃烧发出强光;由于微爆现象的影响,液滴燃烧火焰形貌与强度分布不再稳定。     

真空模拟环境下液体推进剂蒸发特性的试验研究

为研究液体推进剂在真空环境下的蒸发特性,建立了真空环境模拟试验系统。对水、饱和盐水、煤油、酒精和凝胶模拟液等工质进行了蒸发特性试验。通过控制系统实时采集了真空舱的真空度和工质温度。试验中观察到了明显的闪蒸现象。由于闪蒸的存在,工质蒸发过程非常剧烈。最后分析了不同工质在真空环境下的蒸发特性,给出了部分工质的闪蒸参数。     

氢氧火箭发动机喷雾演化过程作用机理

高压超临界喷雾演化过程作用机理是氢氧火箭发动机燃烧不稳定性机理分析、提高燃烧 效率研究的基础。为探讨高压条件下液氧喷雾演化过程的主要作用因素,引入气液同轴喷嘴 雾化模型和高压蒸发模型,考虑超临界条件下液氧／气氢气液平衡及其物理属性,对氢氧火 箭发动机单喷嘴工况条件下喷雾燃烧过程进行了一体化三维数值仿真,得到了液氧喷雾液滴 分布和燃烧流场参数,综合分析了液氧液滴蒸发率、氢氧化学反应率、混合燃气涡量分布与 液氧喷雾尺寸、数量的变化规律,提出了液氧喷雾演化过程六个作用因素不同的阶段。
     

过氧化氢双组元发动机推力室研究

在过氧化氢发动机预先研究项目中,开展了过氧化氢／烃燃料（煤油）推进剂的自燃点火研究,包括自燃燃料开发、推力室设计及冷、热试考核。设计了25N、30N、50N和50kN推力量级的推力室。经热试车考核,点火平稳可靠,燃烧稳定,室压粗糙度小于±5％,燃烧效率高于92％,设计方案合理。     

高温高压环境下煤油液滴蒸发过程实验研究

应用高速摄影系统和图像处理技术研究了煤油液滴在温度473~773 K、压力1.0~4.0 MPa静止气体环境下的蒸发过程,得到了环境温度与环境压力对煤油液滴特性的影响规律。实验结果表明:环境温度低于573 K时,煤油液滴蒸发D2曲线不符合d2定律;环境温度高于673 K低于773 K时,液滴直径变化与d2定律吻合。环境压力对液滴蒸发的影响与环境温度密切相关,环境温度低于473 K时,随着环境压力的升高,液滴蒸发速率变慢;环境温度高于673 K时,随着环境压力的升高液滴蒸发速率加快。     

改性小推力液体发动机推力室工作过程仿真

在考虑N2O4/一甲基肼(MMH)自燃推进剂雾化、蒸发和化学反应过程的条件下,采用贴体网格系统和耦合显式求解算法,仿真计算了小推力液体发动机不同喷嘴设计对推进剂的蒸发、混合燃烧、推力室内流场和燃烧室效率的影响。仿真结果与高空热试车数据基本一致。所用模型合理,具一定的参考价值。     

Droplet vaporization in supercritical pressure environments

For most liquid-fueled combustion systems the behavior of the fuel as it is introduced to the combustion zone, often by spray injection, will have a significant impact on combustion. The subsequent combustion may be affected to a considerable degree by the initial spread of the liquid, break-up of larger fuel sheets and droplets into droplets of various sizes, droplet vaporization, and diffusion of gaseous fuel. Among the many factors which affect spray break-up and droplet vaporization are the environmental conditions into which the spray is introduced. For both diesel engines and rockets the environment pressure and temperature may be above the critical pressure and temperature of the injected fuel. In a compression-ignition internal combustion engine, the environment consists primarily of air, at pressures from 20 to 100 atmospheres and temperatures ranging from 900 to 1500 K. Even higher pressures are encountered in turbocharged diesels. A typical diesel reference fuel, dodecane, has a thermodynamic critical pressure of about 17 atmospheres, and a critical temperature of 600 K. Fuel is injected into a diesel engine environment in which ambient pressures exceed the critical pressure. While droplet temperatures are subcritical at first, they may rise to the critical temperature or higher.This paper will survey current understanding of supercritical pressure droplet vaporization. Specifically, the topics covered will include: liquid phase behavior; vapor phase behavior; thermodynamic and transport properties; droplet distribution and break-up; micro-explosions; and effects of microgravity.     

氧气/煤油点火装置高空点火试验研究

为了实现冲压发动机高空环境条件下可靠点火以及空中熄火后再次点火的需求,研制了一种可多次点火、重复使用的氧气/煤油点火装置,并对氧气/煤油点火装置的高空点火性能进行了试验研究。试验结果表明：高空环境条件下温度和压力发生了变化,着火边界变窄,点火可靠性较地面降低,通过进一步理论分析,认为降低油气比和改变点火时序是提高高空点火可靠性的关键所在。适当降低煤油流量的供应将降低油气比,从而可以将设计点控制在着火区,点火装置时序设计按电嘴发火一氧气进入预燃室一煤油进入预燃室的顺序执行,该时序设计可以确保点火初期让油气比经历从贫油状态过渡到富油状态,当进入着火区时即能保证点火成功。     

过氧化氢推力室技术研究

简述了过氧化氢作为火箭推进剂的优点,重点介绍了近几年陕西动力机械设计研究所在过氧化氢单组元推力室和双组元发动机推力室研制中取得的进展。设计了几种过氧化氢单组元推力室并进行了试验;进行了过氧化氢／煤油双组元火药点火试验;进行了催化点火技术的研究,27次点火试验全部取得成功;设计并生产了几种双组元推力室,对过氧化氢／煤油自燃点火技术进行了研究,累计进行了500余次点火试验;采用37kN推力室分别进行了90％过氧化氢／煤油的火药点火试验和自燃点火试验,试验获得了成功。     

超燃冲压发动机燃烧室碳氢燃料的点火和火焰稳定研究

在氢氧加热脉冲风洞上,对超音速燃烧室在进口2Ma、总温960~1 420 K条件下的碳氢燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究。在直连式超音速燃烧室实验中,通过采用火花塞 氢先锋火焰、火花塞 乙烯先锋火焰的方法实现了煤油燃料的点火和火焰稳定。研究结果显示,当采用氢作为先锋火焰时,利用火花塞能够在燃烧室进口总温960 K条件下实现煤油的点火和火焰稳定;当采用乙烯作为先锋火焰时,利用火花塞,实现没有点火和火焰稳定的最低温度为1 420 K。     

环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器研究

对环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器进行了理论分析和数值仿真计算。介绍了环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器热试车情况,试验燃烧室压力1～2 MPa,混合比7～9,获得了燃烧效率、点火性能、燃烧稳定性、喷嘴特性及混合比等重要参数。     

双推力室起动同步性研究

我国新一代大推力液氧/煤油补燃发动机采用双推力室方案,发动机起动时存在推力室点火不同步情况.以500 t级液氧/煤油补燃发动机为研究对象,针对起动时推力室点火不同步问题,对发动机推力室燃料路的控制方案进行了研究.建立了描述补燃循环发动机起动过程的数学模型,搭建了双推力室发动机起动仿真平台.通过对推力室燃料路两种控制方案的对比分析：指出了从降低发动机系统对双推力室不同步点火的敏感程度考虑,采用2个燃料节流阀分别控制各分支燃料路的方案较优;推力室燃料路采用一个燃料节流阀的控制方案时,推力室冷却套流阻偏差不宜大于1 MPa.     

Ignition of fuel sprays by shock wave mathematical modeling and numerical simulation

The paper presents the results of developing of physical and mathematical model making it possible to take into account the effect of droplets non-uniformity in space and size distribution on ignition conditions for fuel sprays. The influence of condensed phase volume fraction on ignition and combustion of sprays was studied, physical and mathematical models for multi-phase flows, mixture formation and combustion of liquid fuels based on solving Navier–Stokes equations for gas phase accounting for thermal and mechanical interaction with poly-dispersed droplets array. The problems of particulate phase dynamics are regarded accounting for the interaction with gas phase atomization, evaporation and combustion.It was shown that depending on droplet size distribution and aerosol cloud density different flow scenarios were possible.Several ignition zones could be formed behind incident shock wave depending on mixture properties and initiation parameters. The possibility of numerical simulation permitting variation of definite parameters only made it possible to explain this fact.     

新型高密度燃料性能研究

研究了新型高密度碳氢化合物HD-2与航空煤油的复配。通过对不同配比的燃料的密度、黏度、闪点、燃烧热值的测定比较,研究了复配燃料的基本性能;通过火箭一冲压组合发动机（RBCC）航空煤油点火燃烧性能实验,研究了不同HD-2添加含量的复配燃料的燃烧性能。基本性能测试实验和点火燃烧性能实验的结果表明：添加HD-2高密度碳氢化合...