液体火箭发动机系统振荡及稳定性研究进展

针对液体火箭发动机中与阀门相关和与燃烧组件相关的两类重要振荡，阐述了发动机系统振荡现象、振荡模式以及稳定性的研究进展。结果表明，与阀门相关的振荡主要表现为阀门自身和与管路系统耦合的两种不稳定振荡模式；重点是振荡敏感参数分析，难点在于自激振荡临界稳定参数的获取和振荡频率的辨识。与燃烧组件相关的振荡表现为与供应系统耦合的燃烧不稳定、与喷注过程耦合的燃烧不稳定以及燃烧过程自身不稳定三种模式；流量型稳定性机理研究较成熟，内在稳定性机理准确建模相对匮乏；对时滞模型的进一步探究和对燃烧过程数学模型的深入完善是今后系统级燃烧不稳定振荡研究的重难点。     

振荡燃烧过程的同步测量方法

振动燃烧是由非稳定燃烧放热和压力脉动互相耦合产生的系统振荡过程。振荡燃烧的研究方法之一是对自激振荡燃烧相互耦合过程进行研究,得到系统的闭环特性。另外还可以对燃烧系统施加特定的扰动以得到燃烧系统的开环特性。为了研究振荡燃烧的动态过程,需要实现不同物理量的同步测量。相同步方法能够实现压力脉动与燃烧放热率脉动的同步测量,确定二者间的周期变化关系。通过对两个不同振荡类型的实验台进行相同步测量,分析振荡燃烧过程中压力脉动与放热率脉动的相位关系,并讨论了相同步方法的误差,提出了不同实现方案。这些结果将有助于我们提高火焰测量的相同步技术的准确性。     

基于全连接神经网络的分层旋流火焰燃烧振荡预报

燃气轮机贫油预混低排放燃烧室容易发生燃烧振荡,在宽工况极端条件下燃烧主动控制有潜力成为抑制燃烧振荡的有效方法。然而主动控制系统依赖于对燃烧振荡的快速监测和准确预报,因此有必要针对不同的燃烧振荡预报手段开展研究和验证。本文以甲烷预混同心分层旋流火焰的图像为基础,采用降低图像分辨率和提取火焰结构特征参数这两种不同的方式对火焰图像信息进行简化处理,并使用全连接神经网络对燃烧振荡进行预报研究。结果发现,两种方式都可以较为准确地预报燃烧振荡,精度均达到90%以上。预报精度随着图像分辨率的增加而升高,在极低的图像分辨率(3*3)下,预报精度也能达到90%以上。此外,对根据火焰平均图像提取的结构特征参数进行了敏感性分析,捕捉到了系统稳定性的转变,但参数变化范围受训练集限制。本文提出的基于数据驱动方法对燃烧振荡的预报时间小于2 ms,为实现燃烧振荡实时在线预报提供了支持。     

自适应湍流耦合建表燃烧模型的振荡燃烧数值模拟

航空发动机及燃气轮机等动力装备燃烧室广泛采用的贫燃燃烧方式经常遇到破坏性的非定常热声耦合振荡燃烧问题。非定常振荡燃烧数值预测是一个长期的研究热点和难题。发展了针对振荡燃烧的耦合直接求解数值模拟方法，包括优化的动态模型参数的高精度自适应湍流模型（SATES），耦合可压缩的详细化学反应建表FGM燃烧模型。选取的3种湍流燃烧模型包括有限速率模型（W1）及火焰面密度封闭方法中的Zimont(W2)和Fureby(W3)2种褶皱因子模型。针对经典的LIMOUSINE燃烧室多个部分预混振荡燃烧工况开展了数值研究，发现自适应湍流模拟框架下的3种燃烧模型均准确预测到了振荡燃烧的振荡频率，与试验相比，误差<6.4%；对于振荡燃烧压力脉动振幅的预测结果，有限速率模型（W1）和Zimont(W2)模型结果显著大于试验值，误差>380%;Fureby(W3)模型结果与试验值吻合较好，误差<17.9%。表明振荡燃烧的数值预测对不同的湍流及湍流燃烧模型具有较高的敏感性。不同的工况结果表明，振荡燃烧存在完全振荡模态和过渡模态，完全振荡模态中数值预测的特征主频在燃烧室上下游多个位置趋于一致；过渡振荡...     

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。     

不同直径圆球诱导燃烧的振荡机制与频率特性

为了分析不同直径圆球诱导振荡燃烧的规律，并揭示圆球大小在振荡燃烧现象中所发挥的深层次作用，本文采用二维轴对称Euler方程和基元反应模型，对不同直径的圆球在H2/air预混气体中诱导振荡燃烧的现象开展数值模拟研究。研究发现，振荡频率并不是简单地随直径增大而逐渐从高频向低频连续过渡，而是存在两次突变，形成了超高频、高频以及低频三种振荡燃烧模态。在两种模态间过渡时，振荡达到稳定状态前，会存在一段双频耦合的振荡阶段。三种不同振荡燃烧模态的产生是受到了不同振荡机制的作用，而两种模态间过渡时的双频耦合现象则是两种机制相互竞争的结果。     

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。     

某型液体火箭发动机燃烧不稳定性鉴定实验研究

采用脉冲枪装置,在液体火箭发动机燃烧室中产生燃烧波,对发动机燃烧过程进行人为激励;通过实验参数测量系统,测量激励前后燃烧室的脉动压力和机械振动频率等参数,分析燃烧室脉动压力的振荡衰减率,进行发动机燃烧不稳定性鉴定实验研究.结果表明:该型液体火箭发动机燃烧过程对脉冲扰动是稳定的.     

用铜柱测压器初步测定固体火箭发动机的燃烧稳定性

通过对产生振荡燃烧发动机的动态压强测量与铜柱测压器测量结果相对比，并用“Ｔ”形燃烧器做了实验验证，证明振荡压强能够使铜柱的塑性变形量增大。因此，用铜柱测压器测出的压强值与稳态压强电测系统测出的最大压强相比较，可以初步断定固体火箭发动机是否存在振荡燃烧现象。     

超音速气流中氢燃料强化混合的燃烧实验研究

扼要介绍了在超音速气流中，采用后掠斜坡、多级喷射、振荡激波技术强化混合的氢燃料喷嘴，进行自点火和燃烧的实验概况。以实验模型结合喷射方式特点，分析了强化机理。实验表明，多级喷射的燃烧效率高，扩张型后掠斜坡喷嘴的抗干扰能力强，总压损失低，液体喷射产生的振荡激波能加强混合，提高燃烧效率。     

轴向喷注端面燃烧固液火箭发动机数值仿真

针对一种轴向喷注端面燃烧固液火箭发动机开展了研究,分析了该类发动机的燃烧机理,建立了考虑气-固边界耦合及燃料热解的发动机燃烧流动仿真模型,对发动机内流场进行了数值仿真.分析认为:发动机内存在端面燃烧和侧面燃烧两种燃烧状态,燃烧状态主要受氧化剂流速的影响.当氧化剂流速跨越转变速度后,燃烧状态发生改变.发动机流场数值仿真结果同样表明:不同氧化剂流速下发动机内存在上述两种燃烧状态,仿真得到的转变速度区间与文献试验结果吻合较好.      

固体火箭发动机不完全燃烧的试验研究

用设置缓燃层改变装药燃面的变化规律观察发动机地面静止试验推力曲线变化的方法,研究了固体火箭发动机不完全燃烧产生的机理。结果发现,发动机燃烧室存在一个自由容积的阈值,这个值是影响发动机稳态为燃烧和非稳态燃烧的界限值。     

固体火箭发动机涡声耦合特性数值研究

为了揭示固体火箭发动机内涡/声耦合机理,以VKI实验发动机为基础,使用大涡模拟方法,对不同温度下障碍物旋涡脱落诱发的振荡流场开展数值研究,获得了燃烧室内速度分布以及压力振荡的频率和幅值,并和实验数据进行了对比。结果表明,旋涡脱落频率与某阶声振频率相等不是涡/声耦合的必要条件;速度幅值对旋涡脱落频率的影响是主要的;平均马赫数对旋涡脱落频率的影响不大,对压力振幅的影响显著。     

复杂装药固体火箭发动机工作过程中阻尼特性分析

为了获得复杂装药发动机工作过程中阻尼特性的变化规律，首先利用有限元分析方法对不同工作时刻时的燃烧室声腔结构进行了数值仿真计算，得到复杂装药发动机工作过程中的声模态及其变化规律；基于此，计算并分析了复杂装药发动机装药燃烧过程中常见阻尼因素的变化规律，结果表明，喷管阻尼系数与壁面阻尼系数占总阻尼系数百分比逐渐减小，相反微粒阻尼系数占总阻尼系数的百分比逐渐增大，在发动机工作后期,发动机阻尼系数最小，从而导致发动机后期的工作稳定性较差，小扰动易被扩大为大扰动; 在发动机的所有阻尼中，喷管阻尼在发动机工作初期起主导作用，而微粒阻尼在工作后期起主导作用。     

循环加载下复合推进剂的能量耗散

在空空导弹的挂载飞行阶段,弹体高频振动导致的固体推进剂温升极大地损害了固体火箭发动机的性能。为深入探究固体推进剂的能量耗散及其影响因素,针对某复合推进剂进行了不同应变幅值下的多频率疲劳测试,并利用非接触式红外辐射装置同步采集了循环加载下推进剂试件的表面温度,讨论了频率、应变幅值两个因素对复合推进剂能量耗散的影响。结果发现,复合推进剂由于自身的黏滞性,在外部激励下产生了剧烈的疲劳生热行为,其能量耗散密度随着加载幅值和频率的增大而提高,能量耗散带来的试件表面温度呈现出先增大后稳定的规律。根据能量耗散和温度场方程,建立了复合推进剂疲劳过程中的温升计算模型,利用有限元仿真对不同加载条件下推进剂的滞后温升进行了较好的预测。     

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。     

Influence of thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations

Vortex-acoustic coupling is one of the most important potential sources of combustion instability in solid rocket motors (SRMs). Based on the Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) experimental motor, the influence of the thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations is numerically studied via the large eddy simulation (LES) method. The simulation results demonstrate that vortex shedding is a periodic process and its accurate frequency can be numerically obtained. Acoustic modes could be easily excited by vortex shedding. The vortex shedding frequency and second acoustic frequency dominate the pressure oscillation characteristics in the chamber. Thermal inhibitor position and gas temperature have little effect on vortex shedding frequency, but have great impact on pressure oscillation amplitude. Pressure amplitude is much higher when the thermal inhibitor locates at the acoustic velocity anti-nodes. The farther the thermal inhibitor is to the nozzle head, the more vortex energy would be dissipated by the turbulence. Therefore, the vortex shedding amplitude at the second acoustic velocity antinode near 3/4L (L is chamber length) is larger than those of others. Besides, the natural acoustic frequencies increase with the gas temperature. As the vortex shedding frequency departs from the natural acoustic frequency, the vortex-acoustic feedback loop is decoupled. Consequently, both the vortex shedding and acoustic amplitudes decrease rapidly.     

宽频高幅值水力激振信号的产生与控制

为了研究火箭发动机全尺寸泵后供应系统的动力学特性,运用脉动压力发生器设计了一种宽频水力激振系统,开展了液流试验和数据分析。结果表明:水力激振系统可以在0~1200Hz的频率范围内,产生时域幅值超过1.5MPa、高信噪比的压力脉动信号,达到了宽频率范围、高激励幅值的目的。通过对电动机转速的控制实现激励频率的可控变化,以满足不同频率激励策略的要求。提高管路系统的入口稳态压力,可以提高激振信号的幅值。通过合适的局部流阻分布,可以在宽频范围内提高水力激振信号的幅值,提高信噪比。      

固体发动机及火箭固有振动特性预估

用有限元方法计算了选用的固体火箭各级发动机壳体，药柱及整机固有频率和振型，并计算了火箭固有振动特性，为发动机冲击试验，今后的模态和振动试验提供了参考数据。这些数据是选择测试设备及量程，激励方式及位置，测点布置及试验夹具设计等测试技术所必需的。     

无喷管发动机燃速特性的实验研究

针对无喷管发动机的工作特点,采用二维片型装药实验方案,对高燃速含铝丁羟复合推进剂做了相当数量的试验来研究其燃速特性.试验参数的选择应用正交设计法.在此试验的基础上,参照有关的燃烧理论,得出了适合无喷管发动机工作特点的固体推进剂的实际燃速表达式.