自燃推进剂火箭发动机燃烧不稳定性研究

发展了自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）火箭发动机燃烧不稳定性的综合分析模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,研究了燃烧不稳定性的机理,提出了轴向声腔模型并对其抑制不稳定燃烧的特性进行了数值模拟研究,得到了声槽特性频率驿燃烧不稳定性的影响规律,描绘出声腔影响燃烧不稳定性的具体场景,数值模拟结果与理论分析及试车结果是相符的,对轴向声槽的分析设计将具有广泛的指导意义。     

自燃推进剂模型燃烧室高频纵向燃烧不稳定性

采用集总燃烧模型对某自燃推进剂模型燃烧室的高频纵向燃烧不稳定性进行了分析,计算了液滴蒸发速率沿轴向分布,忽略化学反应时间,近似采用蒸发速率峰值位置代替集中燃烧锋面位置,采用NASA经验公式给出了相应的敏感时滞和相互作用指数,建立了考虑自燃推进剂液滴蒸发过程的高频纵向燃烧不稳定性量化分析模型。基于系统振荡增益变化曲线,分析了不同液滴初始速度条件下稳定性趋势。研究表明:集中燃烧锋面位置对于高频纵向燃烧振荡具有重要影响,液滴平均粒径和液滴初始速度的增加都会导致其向下游移动,相应振荡增益会减小,稳定性提高。当平均粒径超过150 μm时,模型燃烧室振荡增益幅值降低至10以下,达到了理论上的稳定。     

液体单元推进剂滴的高温高压非定常分解燃烧理论

 本文建立了完整的液体单元推进剂滴在高温高压惰性介质中的非定常蒸发/分解燃烧理论模型。用全隐式有限差分格式,求解了偏二甲肼液滴在高温高压氮气介质中非定常分解燃烧的控制方程,得出了压力对偏二甲肼液滴蒸发速度的影响规律和达到超临界蒸发/分解燃烧的条件。     

液氢/液氧火箭发动机喷雾燃烧过程三维数值模拟

用三维湍流Ｎ－Ｓ方程及拟流体模型描述液体火箭发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,两相之间的质量交换采用蒸发模型计算,气相化学反应速率采用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式计算。采用ＳＩＭＰＬＥＲ与ＩＰＳＡ算法求解两相控制方程并对氢氧发动机燃烧流动过程进行了三维数值分析,得到了发动机推力室内燃气参数的详细分布情况。结果表明对氢氧发动机而言,蒸发过程非常快,推进剂混合过程是燃烧过程的决定因素。     

来流温度振荡对液滴燃烧释热特性的影响

液滴蒸发、燃烧过程均对温度变化较为敏感,为了获得液滴燃烧释热过程对于温度振荡的响应特性,对庚烷液滴气液两相燃烧问题进行了数值模拟。主要分析了来流温度振荡频率分别为2k Hz,5k Hz和10k Hz,温度振荡幅值分别为5%,10%和15%时,液滴燃烧过程中释热速率振荡幅值及相位差变化规律,同时考察了液滴直径变化产生的影响。结果表明,释热速率振荡幅值随着来流温度振荡频率和振荡幅值的增加而大幅升高;释热速率波动与来流温度振荡之间的相位差受温度振荡频率影响较大;改变液滴直径可以有效控制释热响应特性,相同工况下,减小液滴直径会使得释热振荡幅值显著降低;由于温度振荡与液滴的蒸发和释热之间的相互影响,使得在部分工况下液滴燃烧释热响应特性出现了显著的非线性特征。     

环境压力对双组分运动液滴蒸发特征影响的理论研究

为获得亚临界条件下,环境压力对双组分运动液滴蒸发特性的影响规律,基于多组分液滴蒸发模型,对癸烷—乙醇二元混合液滴在高温氮气环境下的运动蒸发过程开展模型研究。通过模型计算,获得了液滴内部浓度分布、温度分布和液滴速度随时间的变化;分析了在环境压力0.1MPa和2MPa下,不同浓度液滴温度、尺寸及表面乙醇浓度的变化特征。结果表明:双组分液滴运动蒸发过程中,内部存在显著浓度和温度梯度,传热扩散快于传质扩散。常压环境下,液滴温度经历瞬态加热和平衡蒸发两个阶段,而高压环境下,液滴温度逐渐升高至接近环境温度。双组分液滴蒸发过程中由于组分浓度随时间变化,其无量纲尺寸随时间变化明显偏离"d 2理论";环境压力越高,液滴运动的贯穿距离越短,蒸发速率越慢。乙醇浓度对液滴蒸发速率的影响有两方面:蒸发前期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率越快;而蒸发后期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率反而越慢。     

单液滴蒸发测试及数据处理方法研究进展

在航空发动机燃烧室中的航空煤油雾化成液滴后蒸发燃烧,单液滴蒸发特性不但是燃烧室设计参数之一也是两相湍流 燃烧模型组的重要组成部分,对液体燃料液滴蒸发特性研究具有重要意义。对单液滴蒸发测试及数据处理方法进行总结,综述了国 内外不同测试条件下的液滴蒸发试验装置设计、基本原理与操作步骤;对比了传统与新型液滴温度测量方法及液滴成像方法;分析 了不同液滴图像处理方法的优缺点,最后总结了造成液滴蒸发试验误差的主要因素为仪器误差、液滴尺寸换算误差、挂丝方式生成 的误差、挂丝带来的误差、图像测量误差。重力场、环境温度、环境压力及来流速度对液滴直径和液滴温度变化的影响分析,以及随 着测试技术的发展所应用的多种先进测试方法和技术,为单液滴蒸发试验装置的设计、测试技术的研究提供参考,为液滴蒸发试验 开辟了新的研究思路。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼（UDMH）液滴在四氧化二氮（NTO）氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响。结果表明：有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动。NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率。NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火。NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低。凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小。NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构。     

高压不稳定环境中的燃料液滴蒸发

对燃料液滴在高压不稳定环境中的蒸发进行了研究，着重讨论了气相介质压力振荡对液滴蒸发特性的影响，计算了Ｃ１２Ｈ２６液滴在Ｎ２介质中蒸发时的蒸发速率、滴温和无因次滴径随时间的变化。结果表明：（１）蒸发速率、滴温发生相同频率的振荡，相位滞后分别为π和π／２；（２）压力振荡使蒸发速率平均值增大，液滴生存时间减少；（３）在不定常加热阶段压力振荡影响很小。     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。      

凝胶自燃推进剂撞击雾化燃烧特性试验研究

为研究凝胶自燃推进剂撞击雾化的燃烧特性,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了一甲基肼和四氧化二氮(MMH/NTO)及凝胶MMH/NTO喷雾燃烧过程的对比试验。试验拍摄了燃烧条件下液态推进剂的雾化图像及OH基自发辐射图像,其中雾化图像采用高速相机及阴影方法拍摄,OH基自发辐射图像采用带OH基滤光装置的高速相机拍摄。结果表明:MMH/NTO撞击后能快速气化,只能观察到喷注面附近喷雾扇及少量细小液滴,而凝胶MMH/NTO撞击后形成的液膜及贯穿视场的液丝清晰可见,推进剂未完全气化燃烧,造成燃烧性能下降;凝胶MMH/NTO推进剂氧化剂燃料蒸发速率不匹配,彩色阴影图像可观察到大量待反应红棕色NO2气体;根据OH基自发辐射光亮度及分布,MMH/NTO在撞击角为75°,燃料射流速度为23m/s时即可充分燃烧,但凝胶MMH/NTO充分雾化燃烧需求撞击角及射流速度更大,着火及充分燃烧需求燃烧室更长。     

MMH/NTO火箭发动机燃烧动态稳定性数值评定

应用脉冲枪不稳定燃烧模型对有／无声腔的MMH／NTO火箭发动机的燃烧稳定性进行了数值模拟,比较了3台MMH／NTO发动机的燃烧动态稳定性,计算与发动机的试车结果一致。     

燃烧条件下凝胶自燃推进剂雾化特性试验研究

为了研究凝胶自燃推进剂的雾化特性及敏感因素,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)喷雾燃烧过程可视化试验,采用光源后置消光法湮灭火焰自然辐射发光,采用彩色高速摄影获取了燃烧条件下的高质量雾场阴影图像,通过图像处理,有效提取了雾场的雾化锥角、破碎长度、液丝直径及液丝运动速度,分析了撞击角、射流速度和动量比的影响。结果表明,凝胶MMH/NTO稳态燃烧时可观察到液膜、贯穿视场的液丝和红棕色NO_2气体,推进剂混合燃烧不充分;撞击角从75°增大到105°,凝胶MMH/NTO撞击后的破碎长度、液丝直径减小,视场内可视红棕色NO_2气体变少,撞击角为105°时,推进剂会附着在喷注面上,从而影响液膜横向铺展,雾化锥角反而最小,建议撞击角选取90°。燃料射流速度从23m/s增大到45m/s,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,破碎长度及液丝直径减小,雾化模式发生改变。动量比从1.04增大到1.52,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,视场内红棕色NO_2气体变少。故一定量程内增加撞击角、射流速度、动量比有助于凝胶MMH/NTO推进剂混合燃烧。     

自燃推进剂火箭发动机稳态燃烧过程的数值模拟

研究了自燃推进剂火箭发动机的稳态燃烧过程。用一甲基肼作燃料，四氧化二氮为氧化剂，考虑了液滴的雾化机理和高压分解燃烧。将ＰＩＳＯ算法应用于任意曲线坐标下，在计算中采用非交错网格技术抑制了压力振荡。成功地获得了发动机燃烧过程的流场参数。     

凝胶推进剂雾化特性研究进展

为了进一步认识凝胶推进剂雾化过程,促进凝胶发动机的设计和优化,综述了射流撞击式、离心式、气泡式以及燃烧条件下凝胶推进剂雾化特性的研究进展。综述结果表明,凝胶推进剂雾化性能明显差于牛顿流体推进剂,凝胶液膜尺寸显著增大,液丝较难破碎为小粒径液滴;射流撞击式喷嘴对凝胶推进剂的雾化效果优于离心式喷嘴;随着射流雷诺数和韦伯数增大,撞击式凝胶液膜的雾化模式依次为边缘闭合模式、边缘开放模式、无边缘射线模式、液丝分离模式和充分发展模式;采用锥形结构、减小喷嘴出口长径比、方形和椭圆形喷嘴出口皆有利于凝胶液膜破裂,且增大喷注压力、撞击角、温度、室压和减小撞击距离均能改善液膜雾化效果。燃烧条件下MMH/NTO凝胶推进剂撞击液膜破裂雾化机制在宏观上与冷模条件下凝胶推进剂模拟液撞击液膜较好地吻合。此外,对凝胶推进剂雾化特性的进一步研究工作提出了建议。     

Experimental of combustion instability in NTO/MMH impinging combustion chambers

This paper presents an experimental study into dynamics of chamber pressure and heat release rate during self-excited spinning and standing azimuthal mode in NTO/MMH (nitrogen tetroxide/monomethylhydrazine) impinging combustion chambers. Nine cases including two combustion chamber configurations were conducted. The operating conditions of all unstable cases were located in the instability region according to Hewitt empirical correlation. The results show that chamber pressure oscillations keep pace with the corresponding OH* chemiluminescence intensity over the whole combustion region in the spinning and standing modes. It is indicated that the Rayleigh index is positive over the whole combustion area in all the unstable cases. A significant supersonic flame front structure of the first-order spinning mode was found in a cylindrical chamber, which means that a detonation wave could exist in the cylindrical chamber without a center body. The pressure and heat release rate oscillations at the pressure node are nonnegligible although their amplitudes are lower than those at the pressure antinode in the first-order standing mode with an annular chamber. Besides, the dominant frequency of pressure and heat release rate oscillations at the pressure node is twice as high as that at the pressure antinode.     

随机分布介尺度油滴群的燃烧特性

对液雾燃烧中随机分布油滴群的蒸发/燃烧特性进行了数值模拟研究,详细考虑了油滴尺寸、坐标分布、数密度等相关参数的随机性。采用一步总包反应机理对其进行大涡模拟,在不同的来流速度、环境温度下,剖析了不同数密度油滴群的阻力特性及蒸发率,并结合油滴群燃烧模态分析油滴间的相互作用规律。研究表明,油滴群燃烧模态同时包含单油滴三种油滴燃烧火焰模态；各油滴表面燃料蒸气的浓度分布呈现非对称性,反应核心区发生角度偏转；在强对流环境下,蒸发/燃烧油滴群的平均表面蒸发率与阻力系数的变化与蒸发/燃烧单油滴相似,油滴间的强烈相互作用加速了油滴群蒸发/燃烧的传热传质。      

Experimental research on rotating detonation with liquid hypergolic propellants

This paper describes experimental research into the initiation and propagation of rotating detonation for liquid Nitrogen TetrOxide (NTO) and liquid MonoMethylHydrazine (MMH). An annular rocket-type combustor without nozzle was designed to investigate detonation combustion. The propellants were injected through unlike impingement injectors. The combustion flame fronts and pressure waves were detected using optical diagnostics and dynamic pressure sensors, respectively. The propagation of rotating detonation was established spontaneously by increasing the mass flow rate of propellants. The velocity of propagation of the flame fronts and pressure waves was nearly equal and reaches supersonic speed. Two different detonation combustion patterns are present, single wave mode and double waves mode. And in double waves mode, the two detonation waves are always counter-rotating. The possibility of rotating detonation initiation in a combustor with nozzle was also checked. Stable rotating detonation can be initialized and sustained at similar operating conditions.     

凝胶自燃推进剂着火及火焰试验

为研究撞击式喷嘴凝胶自燃推进剂着火及火焰特性，在单喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮（MMH/NTO）喷雾燃烧过程试验研究。试验采用撞击角为75°、90°、105°的两股互击式喷嘴和撞击角为90°的两股燃料撞击一股氧化剂（F-O-F）、两股氧化剂撞击一股燃料（O-F-O）三股互击式喷嘴，首先结合高速摄影与纹影技术拍摄了燃烧过程纹影图像，随后采用高速摄影直接拍摄了燃烧过程火焰自然辐射发光图像。通过图像处理，提取了火焰着火距离、火焰轴向传播速度、火焰夹角以及反应距离，并分析了喷嘴类型、燃料射流速度的影响。试验结果表明，凝胶MMH/NTO燃烧主要发生在液膜破碎成液丝之后，射流速度越快，燃气扩散速度越快；凝胶MMH/NTO推进剂采用撞击角为105°的两股互击式喷嘴时着火距离最短；凝胶MMH/NTO着火时火焰轴向传播速度随燃料射流速度增加而增加，撞击角为90°时火焰沿喷注面下游传播速度较快；凝胶MMH/NTO稳态燃烧时火焰夹角随燃料射流速度增加而增加，反应距离随燃料射流速度增加而减小，其中撞击角为90°的两股互击式喷嘴火焰夹角最大，撞击角为105°的两股互击式喷嘴反应距离最短。