含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟

为了研究含铝复合推进剂在发动机中的燃烧与流动、铝金属在发动机内的多相燃烧问题,对某含铝复合推进剂发动机内流场进行数值模拟。基于FLUENT软件,根据气相燃烧与非均相燃烧理论,应用EDC燃烧模型以及颗粒表面反应模型,建立了含铝复合推进剂燃料的二维两相湍流燃烧模型,验证了颗粒表面反应模型计算铝燃烧的可行性,模拟了不同颗粒相Al2O3含量下发动机内流场的分布,得出了压力、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,颗粒表面反应模型可较好地模拟发动机内铝燃烧的宏观现象,发动机燃气中颗粒相含量对发动机内流场有显著的影响。随着颗粒相含量的增加发动机燃烧室压力降低,温度升高;发动机两相流损失增加,发动机推力降低。     

含铝复合推进剂分布燃烧数值模拟

为研究发动机内含铝复合推进剂以及铝的燃烧,基于FLUENT软件,应用EDC模型和颗粒表面反应模型,建立了固体火箭发动机内流场两相流分布燃烧模型,对AP/HTPB/Al复合推进剂固体火箭发动机内流场进行了数值计算。计算结果表明,与表面燃烧相比,铝的燃烧导致发动机内出现了延长的燃烧区域,铝燃烧贯穿整个发动机燃烧室,形成分布燃烧;延长的燃烧区域导致发动机内流场分布不均匀,燃烧室是非等温的,温度由燃面附近的2600 K增长到3600 K,燃烧室核心区域温度约为3200 K;铝燃烧消耗的同时生成其他产物,也导致燃烧室内燃气组分和密度的分布不均匀;铝的燃烧是一个复杂的物理化学过程,对发动机内流场有着重要影响,颗粒相始终贯穿整个发动机,最终从喷管喷出。     

粉末火箭发动机燃烧室燃烧流动特性研究

选取颗粒轨道模型,对Al／AP粉末颗粒在粉末火箭发动机内流动和燃烧进行三维数值模拟,为以Al粉末燃料和AP粉末氧化剂作为推进剂的新型燃烧室的设计以及实验研究提供参考。文中提出了一种粉末火箭发动机构型,通过对发动机燃烧室进行冷态和热态数值模拟,研究了氧燃比、Al粉末颗粒大小、燃烧室体积等因素对粉末火箭发动机燃烧室燃烧性能的影响。结果表明,一定范围内氧燃比较高时,燃烧室温度反而较低;较小粉末颗粒在燃烧室内更易离散;Al颗粒粒径越小越易燃烧,Al燃烧率也越高;验证了在Al／AP粉末火箭发动机的设计中引入特征长度来匹配Al粉粒径与燃烧室体积的合理性。     

PMMA在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的数值模拟

为了解PMMA在固体燃料冲压发动机燃烧室内的燃烧特性,采用RNG κ-ε模型、涡耗散湍流燃烧模型和一阶迎风格式,对以PMMA为燃料的固体燃料冲压发动机燃烧室进行了数值模拟,得到了燃烧室内的流场结构、温度及组分分布.通过比较数值计算结果与国外试验数据,验证了该数值方法的可靠性.研究表明,随着轴向位置的增大,燃料局部退移速...     

基于燃面耦合传热的固液发动机内流场模拟方法

针对固液火箭发动机中的燃烧流动,建立了一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的通用计算模型。应用该模型计算了二维固液实验发动机燃烧室,得到了燃烧室内部的扩散燃烧和燃面退移速率。计算得到的燃面退移速率与实验结果吻合较好,说明该方法对固液火箭发动机内流场计算有较强的通用性,PDF模型可有效模拟混合发动机中的扩散燃烧过程;简化的一维燃面传热耦合方法可应用到多维计算;该模型可用来模拟固液发动机的内弹道和预示退移速率。     

固体超燃冲压发动机燃烧模态转换研究

对固体超燃冲压发动机的模态转换现象和燃烧室工作特性开展了地面直连试验和数值模拟研究。试验在Ma=6,25 km的条件下实现燃烧模态由超燃转换为亚燃，再转换为超燃的动态变化。数值模拟获得了对应燃烧模态下发动机燃烧室的流场参数变化及工作特性。将隔离段出口马赫数作为燃烧模态判别准则，基于隔离段绝热假设计算出隔离段出口马赫数，实现发动机燃烧模态的实时判别，并通过数值模拟结果验证了该方法的可行性。试验结果表明，改变燃料喷注方式能够实现燃烧模态的变化，亚燃模态下的性能明显高于超燃模态。数值结果表明，发动机隔离段及燃烧室内激波强度和位置受到横向射流与燃烧释热的共同影响，且不同燃烧模态下影响激波的主要因素不同。发动机燃烧室工作在亚燃模态下的性能最佳，总压恢复系数为0.44,总燃烧效率为0.79。其中，亚燃模态下硼颗粒和碳颗粒的燃烧效率分别为0.78和0.65。     

涡轮增压固体冲压发动机补燃室燃烧数值模拟研究

提出了涡轮增压固体冲压发动机补燃室三股气流燃烧数值模拟的方法。分别采用Standard k-ε、k-εRNG、k-ωSST湍流模型,结合三维N-S方程、颗粒轨道模型、King硼粒子点火模型、硼粒子燃烧模型建立TSPR发动机补燃室三维两相流动燃烧模型。首先,利用本文模型进行冷流掺混分析,确定了试验发动机构型并进行燃烧试验,三股气流形成了稳定燃烧;然后,将数值计算得到的补燃室压强、特征速度、燃烧效率与实验结果进行对比分析,并进行了计算模型可信性分析;文中综合湍流模型对TSPR补燃室燃烧情况模拟的影响,得出硼颗粒模型是进一步提高含硼三股气流模拟精度的主要原因。说明本文采用的模型以及与之相匹配使用的方法适用于TSPR发动机补燃室燃烧情况的分析。采用本文补燃室结构进行试验,有无硼成分的试验燃烧效率分别达到82.1%和88.8%,数值模拟结果显示,还应进一步改进补燃室结构,以降低总压损失,促进补燃室壁面附近的空气参与燃烧,并提高硼粒子燃烧效率。     

燃烧室水量分配对铝水反应发动机性能影响研究

在铝/水反应发动机的工作过程中,海水分别注入主燃烧室和补燃室,与铝颗粒燃料进行掺混和反应。研究结合颗粒随机轨道模型,考虑水液滴和铝颗粒的相变和反应,对各铝金属含量及相应最佳总水燃比下,主燃烧室和补燃室不同水量配比的情况进行了数值模拟。通过对各种情况下水的总蒸发率、铝颗粒的反应率和发动机比冲性能计算结果的比较,发现当水燃比和金属含量一定时,主燃烧室和补燃室不同水量配比存在一个最佳值。金属含量为60%、70%、80%和90%及相对应的最佳水燃比的情况下,最佳喷水量配比分别为0.67、0.70、0.76和0.80。     

基于SST湍流模型的模拟SRM内流场数值仿真

为准确模拟固体火箭发动机燃烧室内流场,采用基于格心的迎风型有限体积法求解定常雷诺平均Navier-Stokes方程,在空间离散方法上,采用AUSM-PW矢通量分裂格式,时间推进采用三阶三步TVD型Runge-Kutta显式方法,将Ment-er F R提出的SST( shear-stress-transport)湍流模型及其改进形式用于燃烧室湍流流场的数值模拟,并将计算结果与Wilcox的和Spalart-Allmaras湍流模型进行了对比。结果表明, Menter F R的SST湍流模型计算的燃烧室内的径向速度分布与实验值吻合得最好,最大误差约为5.1%;计算的燃烧室内湍流强度分布与实验的规律一致,而其余湍流模型计算的结果与实验值有很大差异。     

高过载条件下固体发动机内流场及绝热层冲蚀研究

针对Ф315mm实验发动机和某发动机工作状态及结构特点，进行了发动机燃烧室内三维两相流动数值模拟和内绝热层的炭化冲蚀规律研究。计算中应用了颗粒轨道模型和二阶迎风有限体积方法，对纵、横加速度载荷下的两相流动进行了模拟，分析了纵、横向载荷对两种发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响；应用绝热层炭化冲蚀和两相流粒子热增量模型，分析了实验发动机在多种纵、横向过载作用下的绝热层冲蚀规律。在与Ф315mm实验发动机结果对照后，修正了炭化冲蚀计算所需参数，进一步预示了发动机的三维两相流场和炭化冲蚀率，并在35gn过载下分析了推进剂含铝量对粒子聚集密度和炭化冲蚀的影响。计算结果为发动机故障分析和实验发动机试车结果评定提供了理论基础。     

飞行过载下燃烧室凝相粒子沉积特征数值研究

固体发动机燃烧室部分凝相粒子在飞行过载作用下产生沉积,严重影响发动机工作性能。通过确定燃烧室粒子参数和建立燃烧室内两相流场数值方法,获得了发动机不同轴向过载下粒子运动及沉积规律。与试验数据进行对比分析,验证了计算方法的准确性。数值结果表明,随着轴向过载增大,后封头及喷管潜入段粒子沉积质量逐渐增大。沉积粒子粒径大于凝相粒子平均值,即粒子粒径越大,越容易沉积。轴向过载增大,减小了粒子在发动机内部的驻留时间,凝相粒子平均驻留时间均大于0.13 s。     

固体火箭发动机燃烧室结构径向振动与内弹道性能的耦合计算

研究了由推进剂药柱和壳体组成的燃烧室结构径向振动对发动机内弹道性能的影响。在一维非定常内弹道方程中,分别考虑了结构径向振动对内弹道方程和燃速的影响,研究了在给定燃烧截面内,由于燃烧室压强变化引起的结构径向振动。据弹性力学理论和振动机理,得到了简化的等效径向振动方程;对内弹道和结构径向振动进行了耦合计算,分析表明当内弹道出现周期性的压强振荡时,会引发与结构径向振动之间的耦合作用,使得燃烧室压强振荡振幅上升一个量级,对发动机的工作安全产生危害。     

大型分段式固体火箭发动机点火瞬态过程研究

通过建立固体火箭发动机点火瞬态数学模型,对某大型分段式固体火箭发动机工作初期小火箭式点火装置的火焰喷射方式、分段对接部位火焰传播过程以及前后翼燃面的传播过程等进行数值计算研究。计算结果表明,发动机点火过程中,燃烧室内的流动顺畅,没有出现压强异常振荡现象,点火初期的火焰冲击对分段对接部位的绝热结构影响很小,但整个后翼槽药面全部点燃用时在整个火焰传播期用时占比过大。数值计算结果与全尺寸发动机地面热试车结果对比表明,数值计算点火平衡压强、压强爬升时间以及升压速率与地面热试车结果吻合性好。     

过氧化氢／煤油发动机推力室气液燃烧数值模拟

采用离散相模拟颗粒随机轨道方法处理两相流动,采用SST后刊湍流模型,利用燃料的单步总反应模型模拟煤油蒸汽燃烧,针对过氧化氢／煤油发动机推力室,进行三维两相燃烧数值模拟。对推力室的总体流场特征及性能进行了初步研究,为开展进一步的数值研究奠定基础。     

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。     

固体火箭发动机燃烧室喷管统一流场计算

采用ＳＩＭＰＬＥ算法的可压缩形式求解固体火箭发动机燃烧室喷管内的全速度统一流场;在非交错的配置网格基础上用有限体积法离散Ｎ－Ｓ方程,采用强隐式算法（ＳＩＰ）求解线性代数方程组;采用边界标志法实现复杂几何形状下的多区域统一计算;采用喷管外型逼近法保障计算稳定性;通过与同类计算结果的对比表明：上述算法的组合能够成功地获取固体火箭发动机内流场的整体结构。     

基于遗传算法的固体火箭发动机参数辨识

固体火箭发动机参数辨识为非线性受约束优化问题,经典算法求解此类问题时初值敏感、局部收敛等问题表现较为突出.针对上述难题,将具有良好全局收敛性的遗传算法用于固体火箭发动机参数辨识,得到推进剂燃速模型和喉径变化模型的全局最优辨识值.计算结果表明,固体火箭发动机参数辨识采用遗传算法求解可行,计算结果与试验结果吻合良好.     

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。     

不同聚集因素对燃烧室凝相颗粒粒度分布的影响

设计了一种凝相颗粒收集装置,可对燃烧室内不同聚集状态下的粒子进行完整的收集,并对颗粒的形态影响较小。针对HTPB推进剂,开展了不同流通面积和颗粒浓度条件下的粒子收集实验,利用扫描电镜和激光粒度分析仪,对收集到的粒子进行了分析。结果表明,不同聚集状态下的凝相颗粒粒径均分布在0.1～200μm之间,随着流通面积的减小,小于3μm的颗粒逐渐减少,3～10μm之间的颗粒变化不大,大于10μm的颗粒逐渐增加,颗粒平均粒径d43和d50均逐渐增大,且d43和d50的变化率也逐渐增加;随着颗粒浓度的增加,颗粒平均粒径d43和d50增大较明显。     

旋转条件下固体火箭发动机三维内流场数值模拟

基于颗粒轨道模型,通过运动方程加入过载加速度的方式建立了旋转条件下固体火箭发动机内三维两相流的数值模型,并利用该模型研究了不同的旋转加速度对固体火箭发动机中粒子运动轨迹以及聚集浓度的影响。结果表明,随着发动机旋转速度的增大,粒子的聚集带逐渐向壁面附近扩散,在发动机的轴向附近形成一个无粒子区域,旋转速度越大,无粒子区域越大;当旋转速度增加到一定值,粒子的聚集带向外扩散至壁面上,在前封头附近的壁面上形成一条与发动机母线成一定夹角的高浓度聚集带。