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。     

状态方程对煤油液滴高压蒸发计算的影响

分别基于RK、SRK和PR等不同真实流体状态方程(EoS)建立了包含亚临界和超临界两种不同机制的瞬态液滴高压蒸发模型。针对我国新一代高压补燃液氧/煤油发动机，对煤油液滴在高压N 2 环境下的蒸发过程进行数值研究，重点分析了不同状态方程对N 2 -C 12 H 26 二元系统高压气液相平衡，及进一步对煤油液滴高压蒸发计算的影响。结果表明：对液滴蒸发速率影响最大的参数是液滴表面蒸气质量分数，而对该参数影响最大的则是所选取的状态方程。基于SRK和PR EoSs的高压气液相平衡及液滴高压蒸发计算结果均与试验数据符合较好，可正确描述液滴高压蒸发特性；而基于RK EoS的相平衡计算结果显著高估液滴表面蒸气质量分数和环境气体溶解度，并低估临界混合温度和偏摩尔相变热，进而在亚临界蒸发状态下高估蒸发速率，在超临界蒸发状态下低估蒸发速率。另外，基于RK EoS的计算中液滴发生跨临界转变所需的环境温度显著低于基于SRK和PR EoSs的。     

含纳米铝液体燃料的单液滴燃烧特性实验研究

利用高速摄影系统,采用SiC细丝悬挂方式,在开放环境下开展了纯煤油、煤油/油酸(OA)、煤油/纳米铝粉及煤油/油酸/纳米铝粉四种液体燃料的单液滴燃烧试验。拍摄了四种燃料的单液滴燃烧过程,分别获得了四种液滴的形态变化过程及火焰信息等,分析了纳米铝粉及油酸对含纳米铝液体燃料单液滴燃烧过程的影响规律。通过对比发现,四种液滴的前期燃烧过程基本满足d2定律;添加油酸使煤油液滴稳定燃烧阶段燃烧速率变小,但油酸导致液滴出现微爆现象,此阶段煤油消耗速度加快,总燃烧时间缩短18%;添加纳米铝粉使煤油液滴吸收辐射能力增强,燃烧速率增大20%;液滴微爆时部分纳米铝粉会喷出,剩余纳米铝粉在煤油消耗殆尽后聚集在一起燃烧发出强光;由于微爆现象的影响,液滴燃烧火焰形貌与强度分布不再稳定。     

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。     

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。     

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。     

低温流体闪蒸喷雾研究

为了研究低温流体闪蒸喷雾特性,建立了低温流体闪蒸计算模型,并通过试验进行了验证。在欧拉-拉格朗日框架下采用CFD-DPM方法模拟了闪蒸过程的气-液两相流场。研究表明,在闪蒸喷雾形态和温度分布特性方面,数值模拟与试验结果吻合。低温流体喷入低压环境后,在喷嘴出口附近便发生剧烈的闪蒸现象,呈现出巨大的喷雾角,并且喷雾温度急剧下降至环境压力对应的饱和温度;在喷嘴出口附近区域(x/d～40),过热闪蒸占据绝对主导地位,其蒸发速率高出其他换热2个数量级,随着喷雾液滴运动至流场下游,对流换热与热传导逐渐占据主导地位。闪蒸带来的强烈换热导致喷嘴附近可能会发生复杂的气-液-固相变,将会对发动机高空可靠点火带来风险。     

气相速度脉动对JP-10液滴破碎的影响

在不同时均气相速度、初始液滴尺寸和速度脉动频率条件下,研究了气相速度脉动对JP-10液滴破碎速率的影响。计算结果表明,低时均气相速度时,小尺寸液滴较难破碎;达到破碎条件的情况下,随着脉动强度的增大液滴破碎所用时间缩短,而气相速度脉动频率对JP-10液滴破碎的影响不明显。     

基于化学动力的强迫对流下硼粒子的燃烧特性

系统研究了固体火箭冲压发动机燃烧室内强迫对流下的硼粒子燃烧特性,考虑详细的化学动力学机理和气相凝结过程,建立了强迫对流下硼粒子燃烧特性物理数学模型;采用有限体积法求解含组分反应和输运过程的二维轴对称控制方程组,并验证了数值求解方法的正确性。研究了来流相对速度、硼粒子的半径、环境压力、氧气质量分数、环境温度等因素对强迫对流下硼粒子燃烧特性的影响,并详细分析了各因素的作用机制。研究结果表明,强迫对流下的硼粒子多组分燃烧火焰呈轴对称结构;当来流相对速度、粒子的半径、环境压力、环境中氧气质量分数增加时,硼粒子总的燃烧反应消耗速率加大;当硼粒子远离熄火边界时,环境温度对硼粒子总的反应速率影响较小。     

火箭煤油降阻技术研究

对3种火箭降阻煤油在管路中流阻特性进行试验研究。与火箭煤油相比,试验用降阻煤油的密度相近(20℃,0.832 3 g/cm3),粘度升高(20℃,2.17~2.77 m Pa·s)。通过管路流阻特性理论计算和试验,验证了降阻煤油在流阻测试试验系统各组件时的实际降阻效果,并对影响降阻效果的因素包括降阻煤油类型、直管管径、流体流速及降阻剂浓度等进行试验考察。试验结果表明,使用相同降阻煤油,在同样流量下,直管管径越小,流速越高,降阻率越高;在同样管径下,流速越高,降阻率先快速升高后缓慢降低;使用相同降阻剂,随着煤油中降阻剂浓度的升高,降阻效率先快速升高后趋于平缓;3种降阻煤油中配方为JZM-7的降阻效率最高,与火箭煤油相比,JZM-7在Φ4直管中流速为54.748 m/s时降阻率为75.05%。     

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。     

Droplet vaporization in supercritical pressure environments

For most liquid-fueled combustion systems the behavior of the fuel as it is introduced to the combustion zone, often by spray injection, will have a significant impact on combustion. The subsequent combustion may be affected to a considerable degree by the initial spread of the liquid, break-up of larger fuel sheets and droplets into droplets of various sizes, droplet vaporization, and diffusion of gaseous fuel. Among the many factors which affect spray break-up and droplet vaporization are the environmental conditions into which the spray is introduced. For both diesel engines and rockets the environment pressure and temperature may be above the critical pressure and temperature of the injected fuel. In a compression-ignition internal combustion engine, the environment consists primarily of air, at pressures from 20 to 100 atmospheres and temperatures ranging from 900 to 1500 K. Even higher pressures are encountered in turbocharged diesels. A typical diesel reference fuel, dodecane, has a thermodynamic critical pressure of about 17 atmospheres, and a critical temperature of 600 K. Fuel is injected into a diesel engine environment in which ambient pressures exceed the critical pressure. While droplet temperatures are subcritical at first, they may rise to the critical temperature or higher.This paper will survey current understanding of supercritical pressure droplet vaporization. Specifically, the topics covered will include: liquid phase behavior; vapor phase behavior; thermodynamic and transport properties; droplet distribution and break-up; micro-explosions; and effects of microgravity.     

多相流环境下绝热材料烧蚀试验方法研究

为深入了解高温多相流环境中绝热材料烧蚀规律，以氧-煤油烧蚀试验系统为基础，采用氧化硼(B2O3)粉末为添加粒子，发展了一种用于绝热材料烧蚀性能测试的新方法，并进行了验证测试。结果表明：氧-煤油烧蚀试验系统的温度为500~2700 K，射流速度为200~1500 m/s，可通过调整燃烧室压力、烧蚀距离和粒子浓度等参数适应各种烧蚀工况；B2O3颗粒在高温射流中发生熔化、蒸发等相变，可用于模拟火箭发动机中的凝聚相粒子；验证试验中绝热材料的烧蚀率和烧蚀规律与其他多相流烧蚀试验结果相近。结果证明该装置可用于开展多相流环境下绝热材料烧蚀试验研究。     

压力振荡环境下液滴非平衡蒸发过程的理论分析及试验研究

对压力振荡环境下液滴蒸发过程进行了理论分析与试验研究。结果表明,压力振荡会引起液滴周围表面边界层内蒸气质量分数的振荡,从而导致由扩散控制的蒸发速率发生振荡。此外,压力下降引起的气相场内力的不平衡会驱动蒸气从边界层内流入气相场,使蒸发速率的最大值出现在压力下降的过程中,试验研究结果和理论分析所得结论吻合较好。     

Evaporation and ignition of droplets in combustion chambers modeling and simulation

Computer simulation of liquid fuel jet injection into heated atmosphere of combustion chamber, mixture formation, ignition and combustion need adequate modeling of evaporation, which is extremely important for the curved surfaces in the presence of strong heat and mass diffusion fluxes. Combustion of most widely spread hydrocarbon fuels takes place in a gas-phase regime. Thus, evaporation of fuel from the surface of droplets turns to be one of the limiting factors of the process as well. The problems of fuel droplets atomization, evaporation being the key factors for heterogeneous reacting mixtures, the non-equilibrium effects in droplets atomization and phase transitions will be taken into account in describing thermal and mechanical interaction of droplets with streaming flows. In the present paper processes of non-equilibrium evaporation of small droplets will be discussed. As it was shown before, accounting for non-equilibrium effects in evaporation for many types of widely used liquids is crucial for droplet diameters less than 100 μm, while the surface tension effects essentially manifest only for droplets below 0.1 μm. Investigating the behavior of individual droplets in a heated air flow allowed to distinguish two scenarios for droplet heating and evaporation. Small droplets undergo successively heating, then cooling due to heat losses for evaporation, and then rapid heating till the end of their lifetime. Larger droplets could directly be heated up to a critical temperature and then evaporate rapidly. Droplet atomization interferes the heating, evaporation and combustion scenario. The scenario of fuel spray injection and self-ignition in a heated air inside combustion chamber has three characteristic stages. At first stage of jet injection droplets evaporate very rapidly thus cooling the gas at injection point, the liquid jet is very short and changes for a vapor jet. At second stage liquid jet is becoming longer, because evaporation rate decreases due to decrease of temperature. But combustion of fuel vapor begins which brings to increase of heat flux to droplets and accelerates evaporation. The length of the liquid jet decreases again and remains constant slightly oscillating.     

Non-equilibrium diffusion combustion of a fuel droplet

A mathematical model for the non-equilibrium combustion of droplets in rocket engines is developed. This model allows to determine the divergence of combustion rate for the equilibrium and non-equilibrium model. Criterion for droplet combustion deviation from equilibrium is introduced. It grows decreasing droplet radius, accommodation coefficient, temperature and decreases on decreasing diffusion coefficient. Also divergence from equilibrium increases on reduction of droplet radius.Droplet burning time essentially increases under non-equilibrium conditions. Comparison of theoretical and experimental data shows that to have adequate solution for small droplets it is necessary to use the non-equilibrium model.     

减阻航天煤油减阻机理与传热规律数值模拟

在火箭煤油中添加高聚物进行有效减阻已有大量实验研究,但对于煤油流动与传热过程中流场与温度场的分布及机理分析较少,采用CFD方法对火箭煤油减阻机理与传热规律进行三维数值模拟分析,并与普通煤油进行对比。等效黏度模型采用UDF进行编译,其黏性项分别采用非牛顿流体与牛顿流体模型进行处理。数值模拟研究表明,减阻剂的添加使得减阻煤...     

超燃冲压发动机燃烧室碳氢燃料的点火和火焰稳定研究

在氢氧加热脉冲风洞上,对超音速燃烧室在进口2Ma、总温960~1 420 K条件下的碳氢燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究。在直连式超音速燃烧室实验中,通过采用火花塞 氢先锋火焰、火花塞 乙烯先锋火焰的方法实现了煤油燃料的点火和火焰稳定。研究结果显示,当采用氢作为先锋火焰时,利用火花塞能够在燃烧室进口总温960 K条件下实现煤油的点火和火焰稳定;当采用乙烯作为先锋火焰时,利用火花塞,实现没有点火和火焰稳定的最低温度为1 420 K。     

沥青基C/C复合材料的制备及氧化行为

采用超高压浸渍-炭化方法制备了沥青基C/C复合材料,并对其在1273～1773 K氧化后的力学性能进行了测试,借助扫描电镜研究了该材料的氧化形貌.实验结果表明,在恒温下,随着氧化时间的延长,试样弯曲强度和模量逐渐减小,弯曲强度和模量与时间呈线性关系;而在恒定时间条件下,随着氧化温度的升高,试样的弯曲强度和模量亦逐渐减小...