吸热型碳氢燃料再生冷却性能评估方法

吸热型碳氢燃料作为吸气式高超声速飞行器的再生冷却剂,冷却剂出口温度可达到750℃以上。碳氢燃料的冷却能力和抗结焦特性指标,是再生冷却剂的关键参数。在工程应用参数范围内,建立了吸热型碳氢燃料再生冷却性能综合评估体系,实现燃料热沉、结焦和流动传热性能的综合评估。燃料热沉采用热平衡法测量。作为参考:燃料温度600℃,热沉约2.0 MJ/kg;燃料温度750℃,热沉约3.5 MJ/kg。结焦采用层流流动阻力法进行定量测量,应用泊肃叶定律计算碳氢燃料结焦前后通道的当量内径,从而得到通道内结焦层的平均厚度。流动换热性能的评估方法是比较相同出口流体温度条件下不同燃料壁面温度沿轴向的分布趋势。以上吸热型碳氢燃料评估方法的建立,为研制吸热型碳氢燃料提供了有效的初步筛选途径。     

高温碳氢燃料旋流喷嘴内部流动特性数值分析

为揭示航空航天推进系统中高温碳氢燃料压力旋流喷嘴内部复杂相变流动机理,基于改进的Zwart空化模型构建了非等温计算框架,系统研究了333～543 K温度范围和0.3～3.0 MPa压差条件下旋流喷嘴内部的流动特性。提出以Jakob数与空化数之比（Ja/Ca）作为流态判别准则,确定了空化主导（Ja/Ca＜0.2）、强耦合过渡（0.2≤Ja/Ca≤0.5）及闪沸主导（Ja/Ca＞0.5）3种相变模态的定量划分边界。研究识别出流态转变的临界温度为460 K,温度超过该阈值后,气相阻塞导致流量系数最大降幅达76%;压差增大在扩展低压区的同时,显著调控了空化与闪沸竞争强度。基于Ja/Ca准则建立的临界温度预测模型实现了热力学与流体力学效应的无量纲化表征,预测误差小于5%。该研究为高温推进系统热管理设计与工况边界确定提供了定量准则。     

瞬变流速作用下姿控发动机燃料管路的非线性振动特性分析

为研究瞬变流速激励下某型卫星姿控发动机燃料输送管路的非线性振动特性,采用加权余量法和四阶Runge—Kutta法对燃料输送管路的非线性液固耦合振动模型进行了数值仿真,研究不同燃料流速下、电磁阀开关时长对燃料管路非线性振动稳定性的影响.仿真结果表明,依据管路特征线可将管路振动分为稳定振动区和不稳定振动区,且不稳定振动主要...     

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。     

水反应金属燃料在水蒸气环境下的稳态燃烧特性

为探索高金属含量水冲压发动机的稳态燃烧机理,开展了镁基高金属含量水反应金属燃料在水蒸气氛围下的稳态燃烧试验研究,燃料中金属镁含量高于70%.采用直径0.5 mm的K型热电偶测量燃料燃烧波曲线,并拍摄了火焰图片.结果显示,工作压强2.0 MPa时,燃料稳态燃烧的燃面温度约为900.1℃,气相平衡火焰温度约为1 214.9...     

舵机滚珠丝杠在内部热源作用下响应特性

舵机滚珠丝杠在运行过程中由于摩擦作用和电机运行产生的内部热源会导致其结构温度上升和变形,是影响滚珠丝杠副运行精度的因素之一。本文基于有限元理论建立舵机滚珠丝杠副模型,并通过在ANSYS Workbench中插入命令流的方式实现了在滚珠丝杠上施加移动摩擦热载荷,获得了滚珠丝杠副在内部热源作用下的温度、变形和应力响应特性。结果表明:滚珠丝杠轴向热流密度呈双峰趋势,且其高温区域主要集中在螺母行程范围内的中间区域;随着转速的增加,滚珠丝杠各处温度及其波动幅度加大;丝杠最大热应力位于与轴承配合的轴肩最外侧处。     

非均布瞬态内压作用下星孔药柱应力分析

固体发动机大长径比药柱点火过程中内孔表面受到燃气压力作用,内压载荷迅速上升,并沿轴向分布很不均匀,为典型的瞬态非均布载荷。文中建立了内压载荷关于时间变化和位移分布的数学模型及瞬态非均布内压载荷下药柱结构应力的分析方法,并建立了三维贴壁浇注星型内孔药柱模型,用有限元法计算出非均布压力下的药柱应力-应变分布及变化过程。计算结果表明,载荷的非均布特性及瞬态特性对药柱应力-应变过程影响很大。升压梯度越大,对药柱结构完整性破坏越大。     

步进电机在真空低温下的驱动特性分析

文章对步进电机的特点、应用情况及误差补偿处理进行了分析,并提出了在真空低温环境下,除了按常规计算外还必须进行超常力矩试验。     

载人航天器密封舱内强制通风下的火灾温度场及流场特性仿真分析

文章建立微重力环境下载人航天器密封舱简化物理模型,利用FDS软件仿真分析火源在密封舱中心位置时不同送风角度(θ=0°、θ=45°、θ=60°)下舱内温度和烟气浓度的分布规律.分析结果显示:需要在大功率设备上方两侧布置火灾探测器;不同送风角度下的速度场不同,造成舱内温度分布规律也不同;当送风角度θ=45°、θ=60°时,...     

非均布瞬态内压作用下固体推进剂药柱泊松比随机结构分析

考虑了固体火箭发动机点火过程压力分布的瞬态非均布特性,并以函数形式进行描述,结合三维粘弹性有限元法,计算了固体火箭发动机点火工况下的结构完整性.采用Latin超立方抽样方法,考虑药柱泊松比的分布为截断形高斯分布,对药柱泊松比进行随机抽样;利用泊松比的随机抽样结果,分别计算固体火箭发动机点火工况下的结构完整性;统计计算结果,分析泊松比随机分布对固体火箭发动机在瞬态非均布载荷作用下的结构完整性的影响.计算结果表明,药柱Mises应变受泊松比随机分布影响较小,且应变值与泊松比成线性递增关系,这与均布载荷下得到的结论完全相反.在对固体火箭发动机点火工况进行结构完整性分析时,应充分考虑点火过程压力传播的瞬态非均布特性.     

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。     

超燃冲压发动机再生冷却技术研究进展

针对超燃冲压发动机内部苛刻的工作环境,总结了再生冷却技术在裂解传热和工程化应用方面的研究进展.介绍了再生冷却过程中碳氢燃料的热裂解模型和传热研究的最新发现,认为裂解机理的研究制约着数值方法的发展,并影响着真实条件下的传热现象研究;分析了煤油再生冷却技术工程化应用的典型方案,复杂的耦合特性与材料间的工艺结合问题分别限制了系统多样化功能和主被动结合热防护技术的实现.目前需要在裂解机理的基础上构建可靠裂解模型和高效的数值计算方法,并广泛开展冷却通道内传热恶化和耦合现象的研究;重点解决系统中的耦合机理和材料间的工艺结合问题,从而推动超燃冲压发动机的工程化应用.     

超临界状态下RP-3航空燃料射流的数值模拟研究

为了研究高超声速飞行器主动冷却系统中的航空燃料喷射及其影响,对超临界状态下RP-3航空燃料的平孔喷嘴射流进行数值模拟,首先利用 Fluent软件进行计算流体动力学（CFD）分析,然后使用多相混合物模型模拟空化两相流,最后采用全空化模型来预测高温条件下燃料的饱和蒸气压对空化产生的机理和影响——当入口压力（P_in）高达4 MPa时,分析在不同环境压力（P_∞）下,温度为333～543 K的航空燃料射流。结果发现：随着燃料温度的升高,饱和蒸气压升高,喷嘴喉部空化和出口闪蒸逐渐发生;随着环境压力的降低,压降增大导致喷嘴内的质量流量增大,喷嘴内的流动逐渐从单相流过渡到空化两相流。     

球型电场传感器电路设计及试验研究

为满足低密度、高阻抗等离子体环境下的电场探测需求,研究了一种电位基准可随信号浮动的球型电场传感器及其信号处理电路,并基于轨道运动限制（OML）理论分析了球型探针的V–I特性及其理想工作点与阻抗特性。设计了用于前置放大器供电的悬浮电源,使探针具备±100 V的电位探测能力;同时,通过线性电流控制实现了±90 μA范围内的稳定电流驱动。在地面模拟试验中,探针扫描获得的V-I特性曲线与理论吻合良好,反演得到的电子密度为1.64×10¹⁰～1.92×10¹⁰ m^-3,电子温度为0.468～0.508 eV,与预设等离子体环境参数一致。当探针稳定工作于理想控制点时,两探针之间的平均电位差为0.037 V,接近于0。试验结果表明,该双探针传感器能够实现大动态范围电位测量,且两探针的特性一致性良好;其工作带宽为88 kHz,在50 m探针间距条件下等效电场噪声为1.65 mV/m,可实现空间电场差分测量。     

粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究

在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设扰流锥体,并针对扰流锥体不同结构外形和位置对流场中离散相颗粒浓度的影响进行了计算分析,总结出了冷态下扰流锥体对外流场颗粒浓度分布的影响规律。     

基于碳氢燃料裂解工作的ATR发动机性能分析

提出了一种基于碳氢燃料裂解气体驱动涡轮工作的ATR发动机方案,并对特定裂解气成分的碳氢ATR发动机性能进行计算,获得了裂解气中烷/烯比对发动机性能的影响规律。结果表明,在同一飞行条件下,随着发动机转速上升,推力逐渐上升,比冲基本呈减小趋势;在同一转速下,碳氢燃料裂解气中烷/烯比越大,发动机比冲越高。在烷/烯比4、转速百分比70%条件下,发动机比冲最高达到约7 644 m/s;随着烷/烯比逐渐升高,裂解气比热容逐渐升高。     

旋转条件下固体发动机燃烧室内流场数值模拟

采用贴体坐标和ＳＩＭＰＬＥ法，对某一大型固体发动机在旋转条件下的内流场进行了数值模拟。不同燃烧时刻的计算结果表明，旋转对固体发动机燃烧室内流场结构的影响随着燃烧肉厚的退移而显著增强；前封头开口区域存在中烈的切向涡，将严重影响该区的防防护。     

超燃燃烧室内流场数值模拟研究

对超燃燃烧室的高速流动与燃烧的耦合流场进行了一维和三维数值模拟,揭示了其流场的本质和各个参数的关系。首先阐述了超燃燃烧室一维流动特性,然后分析了一维流动模型,获得了芯流面积的计算公式。将一维流动模型应用到实际超燃燃烧室中,与试验数据对比,误差小于5％,并且选出了最优模型。由于一维模型仅能模拟轴向的一维参数变化规律,不能充分反映超燃燃烧流场的详细参数分布,而且二维计算中燃料的喷注不能得到完全真实的模拟,因此为了能更为详细地获得流场各个参数,进行了三维NS方程数值模拟,在计算中考虑了中间一步反应模型,非绝热再附着段的计算结果误差小于2％,满足精度要求,获得了超燃燃烧室的流场全貌,弥补了一维分析模型的不足。