固体火箭冲压发动机补燃室流场三维数值计算研究

应用概率密度函数非预混模型,对固体火箭冲压发动机补燃室内的湍流燃烧进行了数值模拟。模拟结果表明：补燃室内发生着复杂的三维化学反应流动,存在对掺混燃烧有重要影响的头部回流和轴向涡流。补燃室内复杂的温度分布和空气与燃气的掺混、燃烧及流动状态有密切关系。提高空燃比,可增强补燃室中燃气的回流和轴向涡流强度,加大掺混力度,从而提高燃烧效率。     

等离子体助燃含硼富燃燃气燃烧实验研究

等离子体能够有效地改善燃料的燃烧速率,缩短点火时间,改变火焰稳定性,被认为是最高效的辅助点火方法。为了验证等离子体对含硼富燃燃气燃烧的增强特性,利用一套带透明窗的燃烧实验装置开展了多次实验研究。实验结果表明,在补燃室环境中加入等离子体可使富燃燃气点火位置靠前,燃烧火焰面变大,高温反应区前移,从而改善了硼粒子的燃烧环境;通过计算对比有/无等离子工况下的补燃室二次燃烧效率,表明加入等离子后可使得补燃室二次燃烧效率提高5%以上,且随着放电功率的增加,等离子体助燃效果也显著增加,补燃室中增加的燃烧热与等离子体放电功率比值大约在7左右。     

全流量补燃循环发动机富氧预燃室设计与试验

针对全流量补燃循环发动机,给出了一种分区燃烧、身部二次喷注掺混、表面镀镍抗氧化的富氧预燃室设计方案,设计了富燃点火启动富氧关机的试验时序,进行了26次试验,初步研究了身部二次喷注流量大小对燃气均匀性的影响.试验结果表明:预燃室结构设计合理,点火可靠、结构安全;身部二次喷注流量变化对出口燃气均匀度分布影响明显,存在一个二次喷注流量最佳值.      

基于气动斜坡/燃气发生器的超燃燃烧室实验

为探索超燃冲压发动机燃烧室中的新的火焰稳定技术,提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术,并在北航直联式超燃试验台对这种新型组合喷注器开展了超声速燃烧的试验研究。在模拟飞行马赫数5(燃烧室入口Ma=2),进行了冷流试验,获得了喷注器附近流场的纹影图像。本文设计了4种气动斜坡喷注单元,以乙烯为燃料,在约1kg/s试验气流中开展了多级喷注单元组合的超声速燃烧试验,在当量比0.78～1.22范围内实现了稳定的燃烧,经冲量分析法计算得到不同组合结构的燃烧效率为0.54～0.72。试验结果验证了这种新方案作为超然冲压发动机火焰稳定装置的可行性。     

含硼贫氧燃气补燃室反应流场研究

以King模型模化硼粒子燃烧,以几率密度模型模化湍流燃烧,对含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室流场进行数值研究,并与试验结果进行了对比。计算表明:环向燃料喷口布局可增加贫氧燃气气相组分与空气的混合、反应效率;突扩形的几何结构有利于燃气产生大涡运动。     

超声速补燃的三维数值模拟和实验研究

利用贫氧固体推进剂燃烧产生的高温燃气与侧喷空气混合进行了超声速补燃实验。运用有限体积法求解三维N-S方程和组分连续方程组，对实验所涉及的化学反应流场进行了数值模拟。通过考察两种掺混器的穿透深度、流向涡强度等参数，比较了二者的混合及燃烧增强效果，分析了原因。结果表明在所研究的工况下，桶型掺混器性能更优。     

旋转射流对含硼固体火箭冲压发动机二次燃烧的影响

为提高固体火箭冲压发动机二次燃烧效率,将旋转射流技术引入固体火箭冲压发动机设计,采用Re-alizable k-ε湍流模型、单步涡团耗散燃烧模型以及KING硼粒子点火和燃烧模型,利用Fluent软件开展了旋转进气和一次燃气旋转含硼固体火箭冲压发动机补燃室三维反应流场流数值分析。研究结果表明,当空气射流切向进入补燃室时,气流产生的旋转均使燃料与空气的混合更充分,燃烧效率更高。当气流切入角度增大时,补燃效率先升后降,对于具体发动机结构,存在一个使燃烧效率最大的切入角,针对研究的模型发动机结构,此值在20°附近;当一次燃气旋流数的增加,二次燃烧效率呈逐渐增高的趋势。     

固体火箭冲压发动机含硼推进剂燃烧性能实验研究

利用地面直连试验系统对含硼推进剂在某固体火箭冲压发动燃烧过程性能进行试验研究。通过对含硼推进剂燃烧后凝聚相样品的SEM,EDS和XPS分析,探讨推进剂燃烧过程。在凝聚相EDS分析中,硼元素含量随着远离推进剂轴向方向显著降低,氧元素含量显著升高。在补燃室中,由于补充富氧空气,一次燃烧产物进一步反应,导致环境温度上升。由于高温,硼颗粒发生燃烧,产生大量气态硼化物,从而导致硼元素含量下降。二次燃烧凝聚相产物中,硼的非完全氧化物占比在40%以上,氮化硼占比在20%以上,硼颗粒占比7%以下。研究结果表明,随着推进剂在燃气发生器和补燃室内的一、二次燃烧,硼颗粒逐渐减少,并分别与环境中的C和O等元素发生化学反应,在凝聚相中的含量逐渐降低,氧元素在补燃室之后显著增加,氮化硼为凝聚相主要成分之一,存在于各特征位置。推进剂中的硼颗粒没有被完全燃烧,燃烧效率有待于进一步提高。     

进气道位置对含硼推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响

为了提高含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒的燃烧效率,采用颗粒轨道模型进行了补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补然室内简单反应流模型,并在该模型下研究了进气道的位置对非壅塞固体火箭冲压发动机燃烧效率的影响,在此基础上进行直连式试验研究。结果表明:随着前后进气道之间轴向距离增加,燃烧效率先增加后减小,并且试验重复性比较好;前进气道后置长度增加,燃烧效率减小。     

等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析

为研究等离子体助燃条件下含硼燃气在补燃室的二次燃烧特性,建立了排除来流空气掺混效应的扩散燃烧实验模型。利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室的火焰照片,得到了有无等离子体条件下的燃烧火焰形貌;测量了补燃室不同截面的静压和总压,分析了有无等离子体条件下含硼推进剂在固冲发动机中的燃烧效率。实验结果表明：在含硼燃气二次燃烧过程中加入等离子体炬,等离子体炬后方区域火焰更加明亮,硼燃烧更加充分;断开等离子体炬后,补燃室静压和总压出现压力突降台阶,说明加入等离子体后可以加快化学反应速率,提高含硼燃气在固冲发动机中的燃烧效率,从而提高了补燃室的压强;且放电功率越高,含硼燃气在固冲发动机中燃烧效率的增长率越高。     

双燃烧室中煤油超燃试验研究

对双燃烧室中煤油超燃进行了试验研究。试验采用亚燃烧室产生的高温富油燃气在超燃烧室的超声速主气流中补燃的方案实现了煤油超燃过程,研究了在不同超声速主气流总温状态下高温室油燃气的当量比对超声速燃烧效率的影响,分析了超燃燃烧室中的总压恢复特性。     

基于试验设计的固体火箭冲压发动机燃烧效率规律研究

以双下侧进气布局的固体火箭冲压发动机为研究对象,以补燃室中燃气与空气的掺混燃烧效率规律为研究目标,将燃气喷管数量、补燃室头部距离、补燃室长径比、空气进气角度、空气进气速度5个因子作为二次燃烧效率的影响因子,基于试验设计方法,建立了5因子2水平的全因子试验表,并以该表为基础对构建出的32种不同掺混结构的固体火箭冲压发动机补燃室的反应流场进行数值模拟。用试验设计中的数据处理方法对计算结果进行分析,获得了5个显著因子及各因子对燃烧效率的影响规律。为了验证分析结果的正确性,从试验设计表中选取5种掺混结构进行了地面连管试验,试验结果与分析结论一致。将试验设计方法应用到固体火箭冲压发动机燃烧性能的研究中,为发动机性能寻优提供了新途径,具有较高的工程应用价值。     

固体火箭燃气超燃冲压发动机燃烧组织技术研究

为了研究一次火箭室压、一次燃烧产物组分、不同燃烧室构型对于固体火箭燃气超燃冲压发动机性能的影响,采用全流道一体化数值模拟的计算方法,研究了纯气相一次燃烧产物的火箭室压、不同碳颗粒比例的一次燃烧产物、40%的碳颗粒含量的一次燃烧组分下分流道以及波瓣结构两种混合增强方式三种因素对于中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机补燃室流动燃烧以及发动机性能的影响。结果表明:一次火箭室压增大的同时,由于一次火箭喷管面积比相应地随之增大,一次火箭喷管出口射流的平均压强并未增加,避免了壅塞现象的产生,同时随着一次火箭室压的增加,发动机的推力以及比冲均呈上升趋势;碳颗粒的含量越少,发动机的性能越高,发动机的性能对于推进剂的要求较高;两种混合增强方式对于补燃效率的提高意义明显,合理设计混合增强装置有助于发动机性能的提高。     

固体火箭冲压发动机补燃室燃烧过程显示

采用二维开窗式固体火箭冲压发动机试验系统,对补燃室内的燃烧现象进行观察,以火焰图像的形式直观形象地描述了进气道位置对补燃室内燃烧过程的影响,试验所采用的装药为含硼贫氧推进剂。并通过高速数字摄影仪摄取补燃室内部某个时刻瞬时火焰图像,借助于光学理论和计算机图像处理技术计算出整个补燃室内部的温度分布。     

氢氧全流量补燃循环发动机富燃预燃室试验

为了获得全流量补燃循环发动机的富燃预燃室可靠点火、稳定燃烧和均匀的出口燃气,对富燃预燃室头部喷注器排布方案展开了研究。对设计的中心燃烧区和环形燃烧区两种不同头部方案进行了试验,得到了富燃预燃室的压力曲线和预燃室出口的温度分布。试验结果表明:相比中心燃烧区结构方案,环形燃烧区结构方案更容易获得可靠的点火和稳定的燃烧,有更好的燃气均匀度。相比常规的富燃预燃室,全流量补燃循环发动机的富燃预燃室工作温度更低、混合比更小。相比使用液氧的方案,使用气氧的富燃预燃室在启动、关机过程更迅速、平稳。     

固体碳氢推进剂ATR二次燃烧特性实验研究

为了探索常温来流条件下补燃室稳定燃烧的工作条件,设计并加工了一套专门用于研究掺混燃烧的试验装置,验证了模拟落压机构的效果,探索了只有简单掺混器状态下碳氢推进剂的二次燃烧特性。实验发现,只有简单掺混装置的情况,在比冲较优空燃比状态下未能实现二次燃烧,因此在发动机参数设计中不仅要考虑比冲性能还要兼顾可燃条件;实验中采用的固体碳氢推进剂在直接掺混方式下稳定燃烧的空然比上限为4.4左右;简单掺混方式燃烧效率不理想,今后需要探索适合碳氢燃料的火焰稳定器和增强掺混燃烧方法。      

气氧/煤油富燃燃气发生器燃烧试验研究

为了研究航天煤油的富燃燃烧特性,设计了一个气氧/煤油富燃燃气发生器,并进行了室压范围1~4MPa、混合比范围0.25~0.52的燃烧试验,获得了混合比和室压对特征速度、燃气温度及燃烧效率的影响规律。试验结果表明,采用火花塞点火方式可以实现该燃气发生器在高度富燃条件下的可靠点火;在本文研究范围内,试验测得的特征速度和燃气温度明显低于化学平衡理论预测值,燃烧效率介于63.9%~88.3%之间。混合比是特征速度、燃气温度及燃烧效率的最大影响因素,室压的影响远小于混合比。燃烧效率与实际燃气温度与理论燃气温度比值的平方根成正比。     

基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素研究

为了获得以飞行马赫数5.5巡航工作的固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素,开展了地面直连实验和数值模拟研究。利用数值手段研究了固体燃气喷注方式、扰流装置的形式以及燃烧室扩张比等因素对燃烧室性能的影响规律,获得了高燃烧效率(≥90%)的垂直喷注式发动机燃烧室构型。研究表明：1)垂直喷注方式能增强富燃燃气与空气的掺混效果,颗粒相的燃烧效率较中心支板式双火箭燃烧室构型提高了25%;2)对比不同级数的扰流装置对发动机性能影响,同时考虑扰流装置热防护问题和发动机结构复杂程度,双级扰流装置的扰流形式增强效果较优,颗粒相的燃烧效率较单级扰流装置的燃烧室构型方案提高了26%;3)对比不同燃烧室扩张比对发动机性能影响,扩张比1.6的燃烧室构型方案颗粒相的燃烧效率为95%。综上所述,本文优化得到了垂直喷注方式、双级扰流装置以及燃烧室扩张比为1.6的高燃烧效率的发动机燃烧室构型。     

气氢/气氧富燃预燃室设计与试验

为获得点火可靠、燃气温度均匀性较好的气氢/气氧全流量补燃循环发动机富燃预燃室,开展了其结构方案设计、燃烧流场仿真和试验研究.结构方案分别为同轴双剪切单喷嘴、同轴剪切多喷嘴和分区燃烧.仿真结果表明,同轴双剪切单喷嘴方案能使燃气温度在较短的预燃室长度内达到较好的均匀性.试验结果表明,同轴双剪切喷嘴方案具有良好的点火可靠性和燃气温度均匀性,并且能在较广的流量范围内维持良好的燃气均匀性.