下颌式进气道固冲发动机二次燃烧性能研究

针对采用下颌式进气道的固体火箭冲压发动机,建立了二次燃烧性能计算模型,对掺混燃烧性能进行了仿真研究。研究表明,采用掺混装置可大幅提升下颌式进气道的固冲发动机补燃室一次燃气和空气的掺混均匀度,并通过数值仿真对掺混装置进行了优化。结合数值仿真优化结果,通过地面直连试验,验证了不采用与采用掺混装置的补燃室二次燃烧性能。试验结果表明,合理设计掺混装置,可显著提高补燃室二次燃烧性能,特征速度燃烧效率均在93%以上;空燃比在6~20之间的发动机高空比冲提升了55%以上,空燃比在20~30之间的发动机高空比冲提升了75%以上。     

地面试验中的超燃冲压发动机特性分析

直连式试验和自由射流试验是冲压发动机开展地面模拟试验验证过程中最为普遍的两类试验。通过对比两类试验对来流条件的实现情况,说明加热器工作参数和来流组分等模拟要素符合试验要求,在此基础上分析同款超燃冲压发动机的直连式和自由射流试验结果,并结合仿真分析结果开展论述。结果表明:针对相近试验工况,两类试验中进气道流动形态一致性较好;进发匹配工作特性方面,自由射流试验中的结尾激波位置普遍靠后,其安全工作裕度高于直连式试验;在直连式试验中,基于沿程静压测值方法得到的发动机比冲与自由射流试验台测得的发动机比冲接近。     

补燃室结构对固冲发动机二次燃烧影响试验研究

为了研究含硼推进剂固冲发动机补燃室结构对二次燃烧点火特性和稳态燃烧性能的影响,选择头部距离、补燃室长度和空气入射角度作为结构设计参数,设计了模块化固冲发动机地面试验装置。基于正交试验原理安排试验方案,并开展地面直连试验。试验结果的极差分析表明,结构因素对二次燃烧点火延迟时间影响由强到弱依次为补燃室长度>空气入射角度>头部距离,对二次燃烧效率影响由强到弱依次为头部距离>补燃室长度>空气入射角度。方差分析表明,补燃室结构因素对点火延迟影响不显著,头部距离对二次燃烧效率影响作用较显著,其他因素对燃烧效率影响作用有限。     

基于图像处理技术的补燃室火焰温度场测量

为了测量补燃室火焰温度场,在直连式试车台上进行二维开窗式固体火箭冲压发动机试验,应用高速数字摄影仪对补燃室内的火焰进行拍摄。对所获得的火焰图像,根据基于彩色CCD图像的比色测温原理,求得补燃室火焰的投影温度场。结果表明这种方法简单可靠,测量精度也满足要求,可以用来对补燃室火焰温度场进行测量。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验研究

补燃室热防护系统研究是飞航导弹固冲发动机研究的一项重要内容。设计了固冲试验发动机，采用新型绝热材料作为补燃室绝热层，并通过直连式试验研究考核该绝热层在补燃室恶劣条件下的工作情况，为固冲发动机补燃室热防护系统研究提供了可借鉴的资料。     

直接加热对固冲发动机地面模拟性能影响的理论分析

为了模拟飞行状态下进入补燃室的空气总温,在地面模拟试验中要对空气加热。通过直连模拟计算,研究了常用加热器燃料(氢气、煤油、甲烷和酒精等)对含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响。结果表明,当按照气流中含氧量与纯净空气一样进行补氧时,气流中的含氧量能模拟纯净空气中的含氧量;直接加热、补氧的直连模拟计算所得的发动机真空比冲相对偏差与加热空气的燃料种类有关,以氢气为燃料的相对偏差大于0,而其它3种燃料的相对偏差小于0;从污染空气对真空比冲相对偏差的影响分析,污染空气对发动机性能的影响很小。     

膏体冲压发动机构型对燃烧效率的影响研究

膏体冲压发动机是在膏体发动机和冲压发动机基础上提出的一种新型组合动力装置.探讨了膏体冲压发动机的多种构型.并对其反应流场进行了数值模拟和燃烧效率分析.结果表明,采用将膏体富燃料直接喷射到补燃室的方式燃烧效率较高;随着进气道轴向距离的增加,补燃室头部的燃烧效率有所降低;随着进气道夹角的增加,补燃室燃烧效率略有增加.     

一次进水角度对水冲压发动机比冲性能影响研究

为了研究一次进水角度对二次进水水冲压发动机比冲性能的影响规律,建立了发动机补燃室两相流反应模型,对镁基水冲压发动机补燃室流场进行了数值模拟,获得了发动机喷管出口温度、出口压力、出口气流速度及发动机比冲随一次进水角度的增大先升高后降低的变化趋势,在此基础上进行了水冲压发动机地面直连式试验研究.结果表明,一次进水角度在40°左右时,二次进水水冲压发动机比冲性能较优.     

某型固体火箭冲压发动机补燃室内流场仿真

基于简单反应的漩涡分裂模型,建立了固体火箭冲压发动机补燃室内的湍流燃烧模型,并在该模型下对某实验发动机进行了三维数值模拟,获得了补燃室内的流场结构。分析了补燃室燃烧效率的变化和发动机的性能,并研究了补燃室设计参数包括进气道出口设计参数对燃烧效率的影响。通过计算与分析,为固体火箭冲压发动机补燃室设计提供了一些建议。     

TSPR涡轮增压器出口方式对掺混燃烧的影响

针对涡轮增压器出口气流进入涡轮增压固冲发动机(Turbocharged Solid Propellant Ramjet,TSPR)补燃室后,因同轴流动而造成掺混燃烧效率不高的问题,通过对比研究ATR(Air Turbocharged Ramjet)及固冲发动机掺混燃烧增强手段,形成了一种可有效增强TSPR补燃室掺混燃烧效果的方案。继而通过数值模拟的手段对该方案的有效性和内在机理进行了讨论。最后通过TSPR工作模式的数值模拟,发现在不同富燃燃气余气系数状态下补燃室效率均能保持90%以上,验证了该方案的有效性和适用性。根据这些研究,该文认为保留驱涡燃气高速旋流配合增压空气采用一定射流角度进入燃烧室的出口流动方式能够使TSPR补燃室有效工作,燃烧效率相对原有ATR模式能够提高1倍以上;其中涡轮的旋转速度高于40 000 rpm时,经过涡轮膨胀做功的驱涡燃气使发动机比冲和补燃室温度分布情况都比较理想;增压空气采用40°~50°的射流角进行斜向射流对发动机比冲性能提高和补燃室内温度分布改善是比较有利的。     

固冲发动机补燃室非稳态沉积过程分析

采用随机轨道模型,基于动网格技术,分析了固冲发动机补燃室非稳态沉积过程中燃气流动边界形状变化对燃气流动及沉积分布的影响,得到了补燃室内壁面的非稳态沉积规律,对直连试验中出现的进气道出口拐角烧蚀沟槽现象进行了理论分析。研究发现,不同粒径的粒子在补燃室内的分布特性差异较大;凸起的沉积块可改变燃气流向,使进气道出口拐角处的高温区变大,易形成沟槽;点火初期,掺混区进气道之间的沉积速率较大。     

固冲发动机补燃室二次燃烧实验研究

采用不确定度评定的地面直连冲压实验设备,对某全尺寸固冲发动机补燃室二次燃烧进行了实验研究。通过测定比冲效率,确定了不同的燃气发生器喷嘴结构、空气进气角度、进气头部距离和补燃室长度对二次燃烧的影响,并进行了机理分析。结果表明,五喷嘴比冲效率较高,燃气的切入方式对补燃室二次燃烧有重要影响;增大入射角度,可提高比冲效率,但加剧了燃烧产物在补燃室内的沉积;补燃室头部距离不宜过大,比冲效率不随头部距离线性增加;补燃室长度增加,可使比冲效率提高,但效果并不理想。     

富氢燃气与空气低压补燃特性研究

氢氧火箭发动机在飞行过程中排出富氢燃气与周围低压空气发生补燃,直接改变发动机周围的热环境,影响发动机各组件性能。通过试验及仿真研究了不同燃气温度、燃气组分对于富氢燃气低压补燃特性的影响。富氢燃气与空气的低压补燃试验表明:常压下富氢燃气温度高于932 K时发生补燃,低于877 K时不发生补燃;富氢燃气温度高于950 K,环境压力60 kPa时富氢燃气发生补燃,30 kPa时不发生补燃;仿真与试验对比分析发现最大化学反应速率超过10~(-9)情况下能观测到宏观的富氢燃气与空气的补燃现象,燃气温度和氢气含量越高,其与空气发生补燃的临界压力越低。当压力低于10 k Pa时,燃气温度1 200 K,氢气含量87. 4%也无法与空气发生补燃。     

侧向旋转射流进气对固冲发动机性能的影响

采用Reynolds应力方程模型及涡耗散燃烧模型,在不同旋转工况下给定相同进气流量,对侧向进气固冲发动机补燃室湍流反应流场进行了数值计算,得到了燃烧产物的平衡组分、燃烧温度和其他热力学参数,并在此基础上计算了补燃室燃烧效率、发动机推力等参数。数值模拟表明,对于侧向进气固体火箭冲压发动机,在空气射流中引入旋转流动,能有效提高补燃室内的燃烧效率,进一步提高发动机性能。燃烧效率随旋流强度呈先增大、后又减小的规律。采用最佳旋流数的旋转进气后,可使发动机推力提高约2.3%。     

补燃室长度对固冲发动机二次燃烧的影响

采用RNGκ-ε湍流模型及单步涡扩散燃烧模型,对二元双下侧进气式固体火箭冲压发动机补燃室内三维反应流场进行了数值模拟,得到了补燃室二次燃烧效率的变化趋势。结合直连式地面模拟试验,分析了补燃室长度对掺混流场和二次燃烧效率的影响。结果表明,增加补燃室长度,可显著提高二次燃烧的效率,但存在一恰当的设计值;大于此设计值时,对提高二次燃烧效率的作用有限。     

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。     

基于燃气射流控制的可调进气道数学模型研究

针对固定几何形状冲压发动机超音速进气道在高马赫数状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室或燃气发生器引入燃气喷入外压缩面和喉道,实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案。采用数值方法计算了不同马赫数工况下,喷射条件变化时进气道的性能参数。根据流场数值计算结果,采用B样条理论建立了燃气射流控制可调进气道数学模型,利用此数学模型可确定进气道外部斜激波位置以及总压恢复系数随工作马赫数和射流喷射条件的变化关系。结果表明,随着射流入射角度和射流流量增大,射流调节能力呈增强趋势。     

固冲发动机射流控制可调进气道研究

针对固定几何形状固冲发动机超音速进气道在超额定状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室引入燃气喷入外压缩面和喉道实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案,采用数值模拟方法摸索了实现调节的燃气喷射规律,验证了方案的可行性。研究表明,采用射流控制方案可实现固冲发动机进气道调节,通过调节可使外压缩波系保持封口,进气道工作在额定状态,均化了入口流场;喉部射流注入可有效减小主流的流通面积,提高内收缩比,并减小了喉道出口下壁面附面层厚度,进气道出口总压恢复提高显著。     

多变量调节固冲发动机动力学建模及仿真

分别建立了多变量调节固冲发动机各部件的性能/平衡模型、动力学模型以及扰动传播模型,并综合为多变量调节固冲发动机动力学模型。在此基础上,对飞行条件扰动以及进气道/燃气发生器/喷管调节时,发动机的响应特性进行了仿真分析,并分析了扰动的传播过程及不同扰动传播过程处理方法对发动机响应的影响。结果表明,进气道调节不会改变推力和补燃室压强的稳态值,燃气流量调节对推力有较大影响,喷管调节对补燃室压强有较大影响。     

后置燃气发生器的新型固冲发动机工作过程数值模拟

进行了后置燃气发生器的新型固体火箭冲压发动机直连式试验,并对实验演示用发动机补燃室三维内流场进行了数值模拟,将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。采用单因素比较分析的方法,研究了一次燃气喷射方式与补燃室长度对固冲发动机性能的影响。结果表明,一次燃气喷射角度为150°时的燃烧效率比60°时高14%,补燃室燃烧效率在一次燃气喷射角度为180°时达到最大值;8喷口的燃烧效率高于4喷口;补燃室长度增加,燃烧效率增大,补燃室长度为149 mm时的燃烧效率比99 mm仅高5%。