亚/超临界环境下航天煤油液滴燃烧理论研究

目前大推力液氧煤油火箭发动机稳定工作时燃烧室达到超临界环境,而现有的液滴蒸发燃烧模型仅适用于亚临界环境,无法用于超临界环境。建立了亚/超临界环境下煤油液滴燃烧仿真计算模型,开展了亚/超临界环境下环境参数对煤油液滴燃烧特性的影响研究。结果表明:随着环境温度的升高,火焰温度大幅增加,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。随着环境压力的增大,煤油液滴燃烧的无量纲火焰半径减小,火焰温度小幅度增大,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。压力振荡环境下,煤油液滴燃烧的液滴蒸发速率、无量纲火焰半径和火焰温度随时间变化曲线的振荡频率与环境压力振荡的频率一致,火焰温度对环境压力振荡尤为敏感。     

超临界环境下煤油和UDMH单滴燃烧现象

采用重活塞实验系统,对煤油和UDMH在超临界环境下的蒸发和燃烧现象进行了初步研究,结果表明:无论液态或者凝胶燃料,在超临界环境下均存在蒸发现象。在空气超临界环境下,煤油和UDMH均产生自燃现象。自燃呈现多点着火现象,类似于"森林火灾"模式,且持续时间较长。燃烧大致可分为蒸发、点火、燃烧前期和燃烧后期4个阶段。     

镁基水反应金属燃料一次燃烧波特性研究

采用单幅火焰照相、Π形微热电偶等技术,研究了镁基水反应金属燃料一次燃烧火焰特性,得到了燃烧波温度分布曲线及各温度区厚度等参数.初步分析了燃料体系在燃烧表面附近的燃烧特征.结果显示,燃烧室压强为1.0 MPa时,燃面温度和气相火焰温度分别为556℃和1270 ℃;随着燃烧室压强的增大,镁基水反应金属燃料凝聚相反应区厚度增大,燃面温度升高,气相火焰温度升高,火焰明亮程度增强;气相火焰中包含着镁的异相反应,产物中含有大量的镁蒸气.     

自燃推进剂组元液滴的亚临界非定常蒸发计算模型

本文详细分析了自燃推进剂组元液滴在高温高压环境下的蒸发——分解燃烧过程。提出了该种液滴的亚临界非定常蒸发计算模型,应用该模型计算了UDMH和N_2O_4液滴在不同环境压力、温度和对流强度下的蒸发常数。计算表明,存在一个界限环境压力,超过这一压力就出现超临界蒸发。对于UDMH,当T_∞=3200°K时,界限压力P_∞=51大气压,而对于N_2O_4,P_∞=120大气压。计算还表明,UDMH的蒸发速度大于N_2O_4的蒸发速度。因而可以得出结论:在一般液体火箭发动机的工作条件下,UDMH为超临界蒸发,而N_2O_4为亚临界蒸发,而且发动机的燃烧过程主要受N_2O_4的蒸发速度所控制。这一结论已为发动机试车所证实。     

MMH/NTO双组元自燃推进剂反应机理简化

采用反应流分析结合灵敏度分析的简化方法,对MMH/NTO详细燃烧化学反应机理进行了简化,获得包含25个组分和43个基元反应的MMH/NTO简化反应动力学模型。并从着火延迟时间和燃烧火焰温度两方面,通过对比理论结果、详细机理和简化机理预测结果,在较宽范围参数内对简化机理进行了验证。验证结果表明简化机理和详细机理预测的MMH/NTO体系的着火延迟时间和燃烧火焰温度具有非常高的一致性,说明了简化反应机理的合理性。进而分析了初始温度、燃烧室压力、氧燃比对MMH/NTO体系的着火延迟时间和燃烧火焰温度的影响规律,MMH/NTO体系的着火特性对初温和燃烧室压力较为敏感,燃烧火焰温度则对氧燃比和燃烧室压力较为敏感。为后续发动机燃烧的CFD数值计算提供了准确的反应动力学模型。     

固体燃料超燃冲压发动机原理性试验研究

进行了固体燃料超燃冲压发动机实验研究,并成功进行了点火和燃烧实验,包括固体碳氢燃料超音速燃烧试验和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)超音速燃烧试验。实验验证了固体燃料在超音速气流中能可靠点火,并保持了火焰的稳定燃烧,获得了固体燃料的超音速燃烧内弹道特性,同时研究了固体燃料PMMA在超音速气流中的燃烧,分析了其在超燃冲压燃烧室内的退移规律,认为燃料退移速度随时间变化,燃烧趋向于将燃面轮廓变平,区域显示圆柱形。     

酒精浓度对燃烧性能影响研究

多组分燃料蒸发燃烧特性是当前国内外研究的热点,综合采用开窗试验和数值仿真方法,得到了不同酒精浓度(50%、65%和85%)燃烧的火焰结构,分析了酒精浓度对燃烧效率的影响。研究表明:仿真结果和试验结果符合得较好;酒精浓度越高,液滴在燃烧室蒸发越快,燃烧效率越高。     

燃烧条件下自燃推进剂的雾场及火焰实验研究

为研究双组元自燃推进剂喷雾燃烧的特点,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内开展了一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)推进剂喷雾燃烧过程可视化实验,采用高速相机直接拍摄并获得了MMH/NTO的火焰自然发光图像,采用高速相机及光源后置消光法拍摄并获得了燃烧条件下MMH/NTO撞击后的雾场图像。通过实验得到了以下结论:燃烧条件下,MMH/NTO液相主要集中在喷注面附近的喷射雾化区,其面积随燃料射流速度增大而增大;MMH/NTO着火点距离喷注面距离及着火过程的火焰传播速度随推进剂喷射速度增加而增大;按自然发光亮度划分,MMH/NTO火焰分为外层火焰、内层火焰及焰心,焰心亮度最高,其面积随燃料喷射速度增加先减小后增大;MMH/NTO反应长度及火焰张角随燃料喷射速度增加而增大,与喷射雾化区随燃料喷射速度的变化趋势一致。     

压力振荡环境下液滴蒸发动态响应特性研究

设计了压力振荡环境液滴蒸发实验系统,开展了压力振荡环境下液滴蒸发动态响应特性实验研究,分析了压力振荡对液滴蒸发过程的影响,建立了压力振荡环境非稳态蒸发模型,并基于该模型考察了振荡频率、振幅、燃烧室平均压力及温度对蒸发特性的影响规律。实验表明,压力振荡环境对液滴蒸发过程具有明显的促进作用,增加了液滴蒸发速率,且蒸发速率波形相位滞后压力振荡波形接近180°。研究发现,增加振荡频率会加剧蒸发速率的振荡,但对蒸发速率平均值并无影响,蒸发过程中液滴直径变化趋势并无明显区别;燃烧室的高温环境在增加液滴蒸发速率、促进蒸发的同时,也会增强压力振荡对蒸发过程的影响效应,加剧液滴蒸发速率振荡;对于燃烧室平均压力和振幅,要将振幅占燃烧室平均压力的百分比作为影响因素之一来进行考察,百分比越大,液滴蒸发速率及表面温度振荡越剧烈。     

含铝浆体燃料燃烧性能研究进展

将高能金属颗粒添加到液体燃料中制成的浆体燃料含有比普通液体燃料更高的体积能量,在航空航天领域显示出潜在的重要应用价值。对国内外已开展的浆体燃料的研究情况进行了总体回顾,介绍了浆体燃料的发展历程,重点聚焦含纳米铝颗粒浆体燃料燃烧特性研究,以微观燃烧特性研究(单液滴为对象)和宏观燃烧性能研究(模型燃烧室为对象)两个不同视角论述了浆体燃料燃烧性能研究中单液滴蒸发/燃烧的理论模型、单液滴蒸发/燃烧特性的实验测量值及浆体燃料模型燃烧室燃烧性能研究进展,呈现了国内外研究机构在该领域的主要研究成果。探讨了现有研究存在的一些问题,如纳米铝团聚体的蒸发燃烧行为研究不足,微观燃烧特性和宏观燃烧性能研究脱节及模型燃烧室设计不利于准确评价燃烧性能等。给出了对该领域研究发展趋势的展望和进一步研究的建议。     

粉末燃料冲压发动机自维持稳定燃烧试验研究

为了实现粉末燃料冲压发动机的持续稳定工作,采用设计的发动机进行了直连式试验研究.通过试验,验证了粉末燃料供应方式的可行性,获得了燃烧室压强及发动机推力曲线,计算了发动机的燃烧效率.结果表明,利用突扩回流稳定火焰的方法不适用随流性差的金属粉末燃料,钝体火焰稳定器可实现粉末燃料的自维持稳定燃烧,但稳定器周围沉积较多,降低了发动机效率.     

硼颗粒点火燃烧模型研究进展

硼作为固冲发动机推进剂高能组分具有巨大优势,但由于表面氧化层的覆盖对燃烧的抑制作用,导致硼颗粒的燃烧过程十分复杂。文章描述了硼颗粒燃烧的基本现象和过程,阐述了硼颗粒两阶段燃烧的现象本质。综述了以King模型和L-W模型为代表的半经验模型的研究进展,分析比较了两者建模机理的不同之处。详细阐述了以L-W模型为代表的动力学模型的建模机理和内容。介绍了化学机理模型的研究现状和基本原理,并分析比较了半经验模型与化学机理模型的优缺点。     

HNIW的燃烧性能研究

采用固体推进剂燃烧过程实时监测与燃速测定系统对硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)的燃烧性能和催化燃烧性能进了研究;在固体推进剂燃烧火焰温度分布测试系统中,采用对强度法对HNIW的燃烧火焰温度分布进行了测定。结果明,HNIW在低压强范围内(1-6MPa,7-13MPa,1-13MPa)有较高的压强指数,15-19MPa的压强范围内,存在一平台烧区。在1-13MPa的压强范围内催化剂OME能显著地降HNIW压强指数;HNIW的最高燃烧火焰温度随压强的升高近于理论燃烧温度,说明相对光强法更适合于测定高压条件高燃速推进剂的燃烧火焰温度分布。     

新型高燃速推进剂在固体发动机内燃烧特性研究

新型高燃速推进剂是一种采用小球粘结、无溶剂挤成型的复合改性双基推进剂,20℃、6.86MPa下用靶线法实测静态燃速为46.25mm/s。为研究这种新型高燃速推进剂在发动机内的燃烧特性,在不同燃通比和燃喉面积比的装药条件下,进行了发动机试验,获得了相应的压强-时间曲线。分析结果表明,该推进剂在火箭发动机内不同压强下可出现3种完全不同的燃烧类型,即类似于双基推进剂的平行层燃烧、类似于超高燃速推进剂的对流燃烧和有限对流燃烧,并给出了3种燃烧类型的判断条件。     

燃烧室结构对固液火箭发动机燃烧与流动的影响研究

建立了85%H2O2-PE固液火箭发动机氧化剂H2O2催化分解、PE燃料热解以及热解气体与氧化剂分解气体扩散燃烧的综合模型,计算了固液火箭发动机燃烧室轴对称二维内流场,对不同结构燃烧室内流场的计算结果进行了对比,研究了补燃室和氧化剂入口突扩结构对发动机燃烧性能的影响.结果表明,增加氧化剂入口突扩段有利于发动机稳定工作和充分燃烧,增加补燃室长度可以提高发动机平均燃烧温度,使燃烧更加充分.     

Two-phase flow effect on hybrid rocket combustion

This study numerically explores the aerodynamic and combustion processes in a hybrid rocket combustor, under a two-phase turbulent flow environment, considering the evaporation, combustion and drag of droplet and droplet ignition criterion. The predictions of temperature, reaction mode, reactant mass fraction, velocity, oxidizer consumption, fuel regression and droplet number distribution enhance understanding of the two-phase combustion aerodynamics inside the combustor. A parametric study of the inlet spray pattern, including spray cone angle, spray injection velocity and droplet size, is performed to improve the operation of reactant mixing and higher fuel regression rate. Analytical results indicate that both the oxidizer consumption and the fuel regression increase with increasing spray cone angle and spray injection velocity in the practical range of operation. However, for stoichiometric operation, the superior spray cone angle is within 20–60°, and spray injection velocity within 20–40 m/s, under a volume-mean droplet radius of 50 μm. The power dependence of solid-fuel regression on total mass flux is found to decrease with rising of droplet mean size.     

水冲压发动机燃烧稳定性数值研究

建立了水冲压发动机燃烧稳定性计算模型,对一次进水水冲压发动机燃烧室内流场进行数值模拟。研究了燃烧室长度、水燃比、液滴直径等因素对水冲压发动机燃烧稳定性的影响。研究表明,适当增加燃烧室长度、采用多次进水以减小局部水燃比并选取适当的雾化器,有利于水冲压发动机的稳定燃烧。     

CARS燃烧诊断系统的时序控制器研究

研制了一台用于相干反斯托克思喇曼光谱CARS（Coher-ent Anti-Stokes Raman Scattering）相干反射系统的时序控制器，使激光发射同步输出脉冲与数采系统中LCI外触发输入脉冲电平匹配；可以选择采集同步发射的激光信号。其有单选、奇数、偶数、全选四种工作模式，可应用于单脉冲CARS实验，实现时间分辨光谱，同时还可以降低噪音，提高信噪比。     

气氢/液氧同轴喷注单元细节对燃烧特性的影响

为了研究气氢/液氧同轴直流式喷嘴的结构参数细节对燃烧特性的影响,对单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟.重点研究了氧喷嘴缩进深度、氧喷嘴出口壁厚和氢氧喷注速度比3个参数对燃烧效率和稳定性的影响规律.研究表明：上述喷嘴结构参数细节是影响气氢/液氧同轴直流式喷嘴燃烧特性的重要因素,其中适当提高氧喷嘴缩进深度或氢氧喷注速度比对燃烧效率有显著改善,而适当提高氧喷嘴出口壁厚对燃烧稳定性有显著改善.