隔层式多脉冲发动机点火延迟数值仿真研究

隔层式多脉冲发动机点火过程较常规发动机有很多不同,为获得端燃型隔层式多脉冲发动机的点火延迟特性及其影响因素,建立物理和数学模型,采用MpCCI耦合器作为FLUENT与ANSYS的数据交换平台,模拟点火燃气填充隔层和隔层变形过程;采用FLUENT计算多脉冲发动机火焰传播过程及填充过程。计算结果表明,与传统固体火箭发动机相比,在相同点火药量的情况下,多脉冲发动机的点火延迟大大增加;推进剂燃速越高,点火延迟越小;燃烧室自由容积越大,点火延迟越大;隔层材料对点火延迟影响较小。可以通过适当加大点火药量和提高燃速来减小点火延迟。     

固体火箭发动机点火药颗粒点火过程流固耦合特性研究

为了研究点火药颗粒点火瞬态过程中流动与燃烧特性及点火喷流冲击对自由装填药柱结构的影响,以N-S方程、k-ε湍流模型为基础,采用颗粒轨道模型建立点火药颗粒点火模型,结合流固耦合方法分析点火喷流冲击对自由装填药柱结构的影响.通过与相关试验结果对比证明计算模型可靠,然后对固体火箭发动机点火药颗粒点火过程进行仿真计算,计算结果...     

点火发动机点火喷流传播过程分析

点火发动机点火喷流沿药柱通道传播过程是一个非常典型的非稳态流固耦合问题。采用流固耦合模拟方法对点火瞬态药柱通道内的流场以及在流场作用下药柱的结构完整性进行流固耦合分析,确定药柱通道各点压力上升产生的原因以及该过程中装药的应力应变情况。仿真结果表明在点火喷流沿药柱通道传播过程中,将出现超压较大的激波结构,造成装药通道内不同位置处出现程度不同的压力振荡;在激波向尾部传播阶段,药柱的应力传播落后于激波传播;在激波的反射阶段,药柱最大应力位于尾部翼槽底部区域。     

隔舱式双脉冲发动机第Ⅱ脉冲点火过程数值仿真

基于计算流体力学和相关点火理论,对双脉冲发动机第Ⅱ脉冲点火瞬态过程的流场进行了数值分析,并进行了发动机第Ⅱ脉冲点火试车试验。结果表明：在隔板打开前,第Ⅱ脉冲燃烧室高压区的位置由燃烧室前端向隔板移动,压强沿燃烧室径向变化较小,沿轴向变化较大,燃烧室头部和尾部近壁面区域一直处于低温;6 ms时隔板打开,第Ⅱ脉冲燃烧室压强下降05 MPa,药柱内孔前后端压强差波动剧烈,药柱内孔前端温度场下降600 K,而其他区域温度变化较小。隔板打开后,沿隔板下游第Ⅰ脉冲燃烧室轴线形成带状高温区,第Ⅰ脉冲燃烧室头部和尾部依次出现压强峰值,第Ⅰ脉冲燃烧室压强在18 ms时达到稳定,而温度在25 ms时达到稳定。试验测得的第Ⅰ、Ⅱ脉冲燃烧室压强-时间曲线和仿真结果吻合较好,表明该仿真方法具有一定的准确性。     

基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟

为研究双脉冲固体火箭发动机Ⅱ脉冲点火瞬态过程,发展一套多物理场耦合求解器。流体控制方程基于有限体积法求解,时间推进采用双时间步LU-SGS(Lower Upper Symmetric Guass Seidel)方法;固体推进剂表面温度基于耦合传热方法计算;结构动力学运动方程基于有限元方法离散,采用经典的Newmark格式进行时间推进,流固耦合采用松耦合算法,并通过算例验证求解器的可靠性。计算结果表明:该求解器能够数值模拟Ⅱ脉冲启动过程中的点火药气体冲击、燃气非定常流动及金属膜片机械响应过程,获得金属膜片的破裂时间和压强;且随着点火质量流率增加,推进剂装药首次点燃时间和金属膜片破裂时间变短,膜片破裂压强降低;金属膜片破裂时间和压强不仅与作用在其表面的压强载荷大小相关,而且与压强载荷加载的过程相关;金属膜片厚度越薄,膜片破裂时间越短,膜片轴向位移越大,膜片破裂压强越低。     

三旋流燃烧室点火阶段燃烧性能

为研究三旋流燃烧室的点火熄火性能,对单头部燃烧室进行了地面和高空的点、熄火试验研究,测取了负温条件下的高空点火性能,借助高速摄像法录取了地面点火过程,采用燃气分析法对地面点火燃烧效率进行了测量,获得了单头部燃烧室的点、熄火性能和点火燃烧性能参数,以及火焰传播过程。结果表明:三旋流燃烧组织方式可在宽广的主燃区气流速度范围内,具有良好的点熄火性能,地面点火边界的燃烧充分性较高,燃烧效率约为80%,负温条件增加了点火难度,与常温点火边界相比,进气压力70 kPa时的负温点火的边界变窄了188%~375%,高空贫油熄火边界与点火边界接近,所获结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。     

膏体燃气发生器启动特性研究

设计了一套膏体燃气发生器,进行了膏体燃气发生器启动试验,包括膏体燃气发生器流量实验,单次和重复启动试验,以研究基于气源供给方式的流量可调膏体燃气发生器启动特性,探索使用黑火药点火和热流挂管余热重复启动方案的可行性及其对内弹道特性的影响。结果表明膏体燃气发生器单次和重复启动效果良好,单次启动试验验证了燃烧室压力受供给流量控制,可实现推力可调,燃烧室工作压力分别为1.2MPa和1.9MPa,重复启动试验验证了重复启动方案的可行性,重复启动间隔8s;由于膏体推进剂剪切稀化的特性导致膏体燃气发生器内弹道曲线呈缓慢向上爬升趋势,点火初期燃速与燃烧室压力匹配过程会出现振荡燃烧现象;膏体推进剂中的气泡以及工作过程中反向传热均对内弹道特性产生影响;膏体燃气发生器燃面位置和燃面大小的控制仍为膏体燃气发生器启动过程中的一系列难点。     

旋转对固体火箭发动机两相流点火过程影响仿真研究

为研究高速旋转对内外燃管型装药固体火箭发动机凝聚相点火瞬态过程的影响规律，应用计算流体动力学（CFD）流体计算软件，使用用户定义函数（UDF）编程接口建立固体火箭发动机点火模型，对旋转条件下发动机凝聚相点火过程进行模拟。将数值计算结果与地面旋转实验内弹道进行对比分析，验证数值模型的正确性。计算结果表明：①点火药燃气颗粒因旋转做离心运动，大量粒子聚集在燃烧室头部上端，部分粒子附着在发动机壁面，且停留时间较长。②点火药燃气颗粒占比从20%增加到40%，点火压力峰值降低3.93%，发动机转速的升高会造成内弹道平衡压力升高，但点火压力峰会逐渐降低，且峰值出现时间发生延迟，转速达到15 000 r/min时点火压力峰消失。③转速增大，点火颗粒与推进剂传热增大，火焰传播期减小，但燃气填充期和点火延迟增大，点火药燃气颗粒占比为20%时，转速为15 000 r/min较静止条件下点火延迟增加了23.76%。     

固体药柱燃烧断裂边界一维流场特性

以发动机燃烧室增压为条件,详细模拟了固体药柱燃烧断裂边界一维流场的特性。高温燃气在燃烧室增压驱动下注入药柱裂纹,在裂纹内形成压力波和火焰锋的传播过程。压力波前和封闭的裂纹顶端会产生拍击作用,使得裂纹顶端的压力迅速增加,进而在燃烧室增压率增大的方向上,裂纹顶端相继出现火焰减速传播、压力突升、超前点火和火焰加速传播等现象。这就找到了国内外学者在一维假设下发现的各现象之间的内在联系,并描述了四种不同的火焰传播曲线。     

超期贮存固体火箭发动机使用性能评估

解剖了自然贮存14年的某型发动机,对所得推进剂进行了力学和燃烧性能测试.理论分析中建立了发动机三维内弹道和有限元模型,并根据计算流体动力学(CFD)计算边界网格和有限元模型(FEM)药柱表面网格异构但空间位置一致的特点,开发了发动机内弹道压力转化为药柱有限元载荷的算法,完成了发动机工作过程流场-结构的耦合分析,并对发动机的内弹道和药柱结构完整性进行了评估.试验表明:长期贮存后发动机中端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂力学性能变化体现模量增加和延伸率降低,燃烧性能也有一定变化;计算所得发动机内弹道能完成发射任务,同时发动机药柱的力学性能能保证工作期间的结构完整性,发动机基本满足使用要求.      

点火延迟对单组元自激式脉冲推力器的性能影响

点火延迟是脉冲推力器设计中需要考虑的重要因素之一.为研究点火延迟对自激式脉冲推力器的性能影响,以HAN基(Hydroxylammonium Nitrate)单组元推进剂为例,建立自激式脉冲推力器工作过程的仿真模型,分析了点火延迟时间的变化对推力器的压强、流量、推力及平均比冲的影响规律.结果表明,点火延迟会强化脉冲推力器的压强爬升过程,随着点火延迟时间的增大,一个脉冲循环中的推进剂燃烧持续时间和整个脉冲周期均会明显缩短,同时挤压腔压强峰值和燃烧室压强峰值以及推力器的平均推力水平也会显著升高,但点火延迟的变化基本不会影响脉冲周期内的平均比冲.点火延迟提供了一条调节脉冲工作特性的可能途径,研究点火延迟特性对自激式脉冲推力器的探索与应用具有重要的指导意义.     

固体微推力器点火过程数值研究

为研究点火元器件加热区域受限下固体微推力器的局部点火过程,通过数值模拟手段,基于流固耦合传热模型和局部网格重构技术建立了推力器局部点火模型,研究了常压环境下的固体微推力器点火过程,分析了点火过程中推力器内燃气的流动和传热特性,并结合仿真所得推力-时间曲线与全表面点火模型和Jongkwang Lee提出的局部点火模型进行了对比。仿真结果表明,随着推进剂产生燃气往未燃推进剂表面的热反馈,推进剂燃面逐渐扩大。点火过程中喷喉燃气流速未达到声速,外界反压使微喷管内产生逆压梯度,导致喷管扩张段内出现边界层分离。由于喷管扩张段后部逆压梯度随时间增大,喷管扩张段后部回流相应加剧,从而增强了壁面表面的对流换热和燃气主流的动能耗散。模型的推力上升趋势与实际情况更加吻合。     

Ap复合固体推进剂气相点火模型

本文根据异质推进剂的特点,提出了含氧流动热气体点燃Ap复合推进剂的一维气相点火模型。模型中详细考察了点火过程中推进剂表面的分解过程和气相区的化学动力学过程,并利用有限差分法直接求解点火过程的控制方程,获得了点火延迟时间t_(ig)随燃烧室压力P变化的关系,固相区和气相区的温度分布,以及参加反应的各种化学组分在气相区的分布。t_(ig)随P变化的理论计算结果与实验测定曲线比较接近。对于深入研究点火问题有一定参考价值。利用本模型和计算方法还可以从理论上预示其它各种参数对Ap推进剂点火延迟的影响。     

冲量法固体推进剂燃速测试原始数据有效性判定

为了定义并明确冲量法燃速测试的应用边界,通过对“推进剂药柱点火不同步”、“存在侵蚀”、“推进剂药柱同心度不好”3种情况下终了燃面偏离设计值的分析,提出以最大压强尤其是最大推力处的下降速率作为冲量法燃速测试数据有效性的判据,该判据同时解决了“裸露的推进剂药柱表面同步点火”无法评判的问题。根据燃烧室在无加质条件下燃气质量的变化规律,计算获得燃烧室压强随时间的改变趋势,与试验压强-时间曲线进行对比,提出数据有效性因子K,给出了原始数据有效性的数值判定方法。研究表明,当数据有效性因子K=1～1.2时,冲量法燃速测试结果与恒压发动机燃速测试结果一致性较好,数据有效。同时验证了喷管烧蚀会影响冲量燃速测试的压强范围,但不影响燃速测试结果。     

爆震发动机超声速进气道的非定常耦合流场数值研究

采用带化学反应的非定常数值仿真方法,对爆震发动机(PDE)内进气道、燃烧室、尾喷管的耦合流场进行了分析,并着重研究了爆震压力波及其反射波对超声速进气道内流动结构的非定常干扰过程,对比了3种进气道/燃烧室耦合方式下进气道流动特性的差异.结果表明:通过在燃烧室内填充以化学恰当比预混的燃料和氧化剂,数值仿真可获得稳定自持的爆震波.在爆震波压强作用下所产生的结尾波系和反射激波会发生耦合干扰作用,它们在流道内的运动传播影响了结尾波系的前传幅度.通过对比不同进气道/燃烧室耦合方式的流场特征发现:采用突扩式进气道/燃烧室连接段可利用燃烧室头部固壁的阻碍以及其对爆震高压波的反射作用将大部分的压缩气体存储于燃烧室内,进而减弱进气道与燃烧室之间的耦合干扰作用,对提高进气道的工作稳定性有利.另外,内凹式燃烧室头部段的引入还为压缩气体提供了额外的存储空间,故可以进一步缓冲爆震高压,提高进气道的稳定工作裕度.      

基于耦合传热的双脉冲发动机热防护层受热分析

针对双脉冲软隔层通道孔径对双脉冲发动机I脉冲燃烧室热防护层热环境的影响开展了数值仿真研究。对雷诺平均Navier-Strokes方程采用了双时间步LU-SGS迭代方法、AUSMPW迎风格式以及适合模拟分离流动的改进剪切应力输运(SST)湍流模型进行求解,通过保证流固耦合界面上的热流密度连续来实现耦合传热仿真。采用算例验证了算法及程序的精度和可信度。计算结果表明: I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数随软隔层通道孔径的增大而减小,最大对流换热系数平均减幅达20.3%,再附着点位置和对流换热系数最大值所在位置均向上游移动,分别平均移动24.2%和23.1%;I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数先增大后减小,且回流区内的对流换热系数相对较小,并在再附着点上游达到最大值。     

高能点火药中固体微粒对复合推进剂点火性能的影响

利用高速实时激光全息摄影分析了点火药(Mg/(C_2F_4)n)的燃烧过程,提出了该点火药的燃烧产物对复合推进剂的传热模型,建立了热粒子点燃复合推进剂的综合点火模型.通过计算分析和实验研究,得到推进剂的点火延滞时间随着点火药中Mg粉粒度的增加而增长.同时预示了复合推进剂的点火性能与点火药性能、推进剂性能及环境条件等之间的依赖规律.     

复合固体推进剂的点火研究

本文根据实际固体火箭发动机的工作特点,以Summerfield.M的气相点火理论为基础,建立了用炽热含氧流动气体点燃复合固体推进剂的气相点火模型;并从该模型中导出了计算复合推进剂点火延迟时间的解析表达式((28)式);本文还认为:对于大多数复合推进剂(指以过氯酸铵为氧化剂)来说,是气相反应控制点火过程,因为利用炽热气体点火时,燃气的压力和氧化剂浓度是影响点火过程的主要因素。这一结论为如何调整点火器的设计参数,改进火箭发动机的点火性能指出了方向。     

火箭点火压力脉冲形成机理与影响因子分析

为深入研究火箭点火瞬时压力脉冲形成机理,以火箭在地下有限空间内发射为研究对象,采用一维线性波理论分析了压力脉冲的形成机理和影响因子,并对压力脉冲幅值进行了估算。同时,采用计算流体力学方法,建立了基于三维可压缩气体Navier-Stokes方程的火箭发射燃气流场模型,详细揭示了压力脉冲在地下井内的幅值分布和演化规律。仿真结果表明,发动机燃烧室建压速率越大,井内的压力脉冲峰值越大,峰值出现的时间越早;燃气流密度越大,压力脉冲峰值越小,峰值出现的时间越晚;井筒越深,压力脉冲幅值越大。一维线性波理论分析和计算流体力学方法结果的压力脉冲峰值与试验结果比较,相对误差均不大于14.2%,表明这两种方法均能有效预示火箭点火压力脉冲幅值和分布规律。     

温度及压强对火箭发动机喷管阻尼的影响研究

为探索燃气温度与燃烧室工作压强对固体火箭发动机喷管阻尼特性的影响,同时为了对冷流试验的改进及不稳定燃烧研究提供相应的理论指导,基于Buffum冷流试验发动机的二维模型,利用脉冲衰减法,开展喷管阻尼特性数值仿真计算。结果分析表明燃气温度对喷管阻尼有很大影响,而燃烧室工作压强对其几乎没有影响。燃气温度越高,切断脉冲后,压力振荡衰减越快,即喷管阻尼衰减系数越大;不同工作压强下,切断脉冲后,压力振荡衰减速度几乎不变,即发动机喷管阻尼衰减常数几乎不变。