固液发动机固体燃料瞬态退移速率

为了研究固液混合火箭发动机中固体燃料退移速率在发动机工作过程中的变化特性,基于固液混合火箭发动机的工作特点,利用燃烧流动与固体区域传热耦合计算以及动网格技术,建立了固液混合火箭发动机固体燃料瞬态退移速率预示的数值模型,并对某带预燃室、补燃室以及扰流环结构的模型发动机进行了研究。计算结果表明,固体燃料热解表面的温度以及退移速率随着发动机的工作逐渐降低;在同一时刻沿发动机轴线燃料热解表面上各点的退移速率以及温度不同;扰流环可以提高它后面局部区域固体燃料的退移速率以及表面温度。     

绝热层烧蚀性能的理论预示

本文在多次绝热层烧蚀实验所得物理模型的基础上,建立了在低燃气流速下的烧蚀表面质量和能量控制方程,以及某发动机绝热层在烧蚀时形成的炭化层、热解层和基体的温度响应控制方程,求得了该发动机内弹道环境条件下绝热层烧蚀过程中炭化面和热解面的退移速率.所得数值解与实验结果比较一致.     

固液发动机实验燃烧器的气固耦合传热计算

针对固液火箭发动机中复杂的燃烧、传热过程,在FLUENT软件的平台上,采用气固耦合传热计算的方法模拟了二维扩散燃烧实验器中的温度、组分分布,并利用动网格方法模拟了固体燃面的不规则热解退移。稳态流场计算的结果和燃面动态退移情况都验证了扩散火焰距燃面的距离和燃面上方主流流速是影响退移速率的主要因素。此方法可以较好地模拟固液火箭发动机中复杂的非定常传热和燃面退移过程,较准确地预示固液发动机的内弹道性能。     

混合火箭发动机燃料退移特性的数值计算

混合火箭发动机在航天推进领域优势明显,但由于氧化剂和燃料相态不同,燃料退移的机理和特性比较复杂。采用自行编写的混合火箭发动机程序(HRM)模拟了这种发动机的非稳态工作过程。通过该程序实时数值求解了从氧化剂注入端到尾喷管的全部物理化学过程,并基于燃料表面上气固间的质量和能量耦合,运用燃料表面动态退移和两步计算方法,模拟了燃料退移。在与发动机推力和燃料退移量等实验数据对比的基础上,给出了燃料退移速率方程和燃料退移速率随燃烧室直径的变化规律,确定并分析了影响混合火箭发动机尺度效应的因素。     

固液混合发动机燃面退移规律辩识方法

为了以尽可能少的试验对固液混合发动机的燃面退移规律进行辨识，采用在一发试验中适当调节工作参数的方式，并结合瞬时燃面退移速率求解方法，总结出了一套固液混合发动机燃面退移规律辨识方法进行了试验验证，结果表明：采用二维药型的固液混合发动机，通过一发试验即可较准确地掌握其燃面退移规律，还可应用于其它同种类型的固液混合发动机内弹道性能预测。     

固液混合推进石蜡燃料的性质及燃烧性能研究

石蜡燃料具有高退移速率和低成本的特性,是理想的固液混合推进剂燃料。为了研究不同石蜡燃料的性质对燃烧性能的影响规律,针对54#,58#,62#和66#4种粗晶石蜡和58#,60#,70#和90#4种微晶石蜡开展了粘度分析和TG-DSC热分析,并利用高速摄影法测试了8种石蜡在氧气流中的燃烧性能。研究结果表明:8种石蜡燃料的退移速率与氧气质量密流之间均满足幂函数关系,幂函数系数分别为0.0521±0.0012,0.0479±0.0008,0.0444±0.0010,0.0394±0.0007,0.0459±0.0009,0.0411±0.0008,0.0385±0.0011和0.0247±0.0007。石蜡的燃烧特性受粘度和熔点的影响很大,熔点越高,其退移速率越低;石蜡熔化液体的粘度越低,其退移速率越高。8种石蜡燃料的平均退移速率分别比HTPB燃料的退移速率高196%,171%,159%,141%,156%,146%,125%和48%。     

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

MA/HTPB/石蜡燃料燃面退移速率测试方法及调节研究

自行搭建了Φ50mm固液混合发动机实验系统,用于燃料燃面退移速率的测试及燃料筛选;表征了称重法求燃面退移速率的可靠性,尝试了中断燃烧法求燃料燃面退移速率公式的技术;研究了AP/TBF和纳米铝粉对MA/HTPB/石蜡燃料燃面退移速率的影响。实验结果表明:本实验系统用于测定燃料的燃面退移速率可行,误差低于5%;中断燃烧法可快速、经济、真实地获得燃面退移速率公式;AP/TBF和200nm Al均可大幅度提高MA/HTPB/石蜡燃料的燃面退移速率和密流指数n。气氧的密流Gox=150kg/(m2·s)时,含AP/TBF燃料的燃面退移速率比基础配方提高0.319mm/s,增幅为25.2%;含5wt%200nm Al燃料的燃面退移速率增加0.188mm/s,增幅为14.9%。     

单脉冲固体姿态控制发动机内流场与燃面退移耦合数值模拟

为解决单脉冲固体姿态控制发动机内流场与推进剂燃面退移耦合的问题,给出了耦合方法的理论基础,建立了基于动网格的双向耦合模型。采用面偏移法处理燃面退移过程,利用网格平顺与网格重建技术优化网格,解决网格变形问题;通过松耦合方式进行耦合计算。针对PAC-3增程拦截弹使用的单脉冲固体姿态控制发动机,进行了内流场与推进剂燃面退移耦合数值模拟,得到了该发动机内弹道特性曲线及其它性能参数。结果表明,PAC-3单脉冲固体姿态控制发动机仿真结果与相关实验结果吻合较好,计算得到燃烧室压强最大相对误差为3.96%。面偏移法能够有效追踪推进剂燃面,建立的耦合方法能够对内流场与推进剂燃面退移耦合过程进行准确稳定的模拟,为单脉冲固体姿态控制发动机多物理模型耦合模拟提供了有效的解决方案。     

含铝HTPB固液混合推进燃料燃烧性能研究

为了研究铝粒子对HTPB固液混合推进燃料退移速率的影响,采用透明燃烧室实验系统,开展了含不同粒径(平均粒径分别为100nm,500nm和50μm)、不同质量分数(5wt%,10wt%和15wt%)的铝粒子HTPB燃料退移速率测试和分析,获取了燃烧室压力为1MPa下的含铝HTPB燃料的瞬时退移速率随氧气质量密流变化的曲线。研究结果表明,随着氧气质量密流的增加,含铝HTPB燃料的退移速率增加;当氧气质量密流为250~375 kg/(m2·s)和铝粒子含量为5wt%时,平均粒径为500nm比平均粒径为100nm和50μm的含铝HTPB燃料退移速率高;当铝粒子平均粒径为500nm时,含铝HTPB燃料的退移速率随着铝粒子含量的增加而增加。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

固液火箭发动机试验燃速的计算

基于固液火箭发动机固体药柱燃速与药柱通道氧化剂质量流率的关系,推导分析得出:在2s短工作时间内或者药柱通道直径增大10%的情况下,燃烧室压力与其氧化剂质量流量成正比.因此通过试验测量的燃烧室压力可计算得到发动机转级或者关机拖尾段中的氧化剂质量流量.据此,计算发动机拖尾段消耗的燃料质量,消除发动机拖尾段燃料消耗对平均燃速的影响,可以修正常用的计算试验燃速的起止点平均法.利用此方法对两种试验推进剂组合的燃速进行了计算,原偏高的燃速值降低约20%,不同尺寸发动机的燃速符合尺寸规律,偏差在5%以内,使小尺寸发动机测得的燃速可应用到大尺寸发动机的设计中.      

固液火箭发动机试验瞬时燃速分析方法

介绍了一种用于固液火箭发动机试验的瞬时燃速分析方法,运用该方法对H2O2/HTPB固液火箭发动机单室双推力长时间热试车试验进行燃速分析,拟合得到该工况下的燃速公式为r=1.847×10-2G0o.7304。根据燃速公式等计算结果对一次发动机试验进行了预估,计算得到的预估内弹道性能曲线与试验结果吻合较好,验证了该瞬时燃速分析方法的可行性,为发动机工作时间较长、氧化剂流率变化较大时的燃速分析提供了一种途径。     

Regression rate estimation for standard-flow hybrid rocket engines

The present effort is towards predicting with some accuracy hybrid rocket engine fuel regression rates under standard flow conditions. A convective heat feedback modelling approach is applied in tying the mass-flux-dependent heat flux directed into the regressing fuel surface, to the subsequent solid fuel grain regression rate. Factors such as transpiration, hydraulic port diameter, and effective fuel surface roughness are incorporated into the phenomenological surface regression rate model. A number of comparisons between the model's predicted results and corresponding experimental data are made, in illustrating the efficacy of the present approach for a classical head-end-injection engine. Where substantial differences between theory and experiment exist, this might be due to one of several identifiable factors related to non-standard flow, such as the presence of radiant heating, swirl or flow impingement in or at the boundaries of the experimental core flow.     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

燃烧室结构对固液火箭发动机燃速和性能的影响

对不同燃烧室结构固液火箭发动机进行了二维轴对称一体化数值计算,计算结果表明:燃速随前燃室的增长而增大,增幅越来越小,特征速度和真空比冲随前燃室的增长先增大后趋于平稳.后燃室的长度对燃速没有影响,特征速度和真空比冲随后燃室的增长而增大.相同氧化剂质量流率下,药柱长径比不影响燃速沿轴向分布,平均燃速随药柱长径比的增大而增大,增幅越来越小,最终趋于平稳,特征速度随药柱长径比的增大先增大再减小,在长径比为10.0附近达到最大值.相同理论氧燃比下,燃速随长径比的增大而增大,但不影响燃速的分布趋势;燃烧效率随着长径比的增大先减小再增大;实际氧燃比随长径比的增大而逐渐减小,且变化趋势逐渐缓慢.      

含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率研究

为了提高含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率,从推进剂的燃烧热值定义出发推导了燃烧效率表达式,并通过地面试车实验和热力学计算研究了催化剂、氧化剂喷注方式、后燃室容积对燃烧效率的影响。结果表明:推进剂的燃烧效率变化趋势可由特征速度效率表示,但更为精确的燃烧效率表达式应为特征速度效率的平方;燃料中添加卡托辛、亚铬酸铜和硬脂酸钴可使燃烧效率分别提高32.8%,43.3%和52.0%;相比涡轮转子和螺旋喷注器,离心式喷注器的旋流效果更好,可促进燃料与氧化剂掺混,从而更有利于提高含石蜡燃料的退移速率和燃烧效率;增加后燃室长度可提高燃烧效率,但较长的后燃室散热损失和流动损失较高从而导致比冲较低,当后燃室长度为80mm时,燃烧效率可达89.3%,因此得出了三种有效提高含石蜡燃料燃烧效率的方法。