含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟

为了研究含铝复合推进剂在发动机中的燃烧与流动、铝金属在发动机内的多相燃烧问题,对某含铝复合推进剂发动机内流场进行数值模拟。基于FLUENT软件,根据气相燃烧与非均相燃烧理论,应用EDC燃烧模型以及颗粒表面反应模型,建立了含铝复合推进剂燃料的二维两相湍流燃烧模型,验证了颗粒表面反应模型计算铝燃烧的可行性,模拟了不同颗粒相Al2O3含量下发动机内流场的分布,得出了压力、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,颗粒表面反应模型可较好地模拟发动机内铝燃烧的宏观现象,发动机燃气中颗粒相含量对发动机内流场有显著的影响。随着颗粒相含量的增加发动机燃烧室压力降低,温度升高;发动机两相流损失增加,发动机推力降低。     

含铝复合推进剂分布燃烧数值模拟

为研究发动机内含铝复合推进剂以及铝的燃烧,基于FLUENT软件,应用EDC模型和颗粒表面反应模型,建立了固体火箭发动机内流场两相流分布燃烧模型,对AP/HTPB/Al复合推进剂固体火箭发动机内流场进行了数值计算。计算结果表明,与表面燃烧相比,铝的燃烧导致发动机内出现了延长的燃烧区域,铝燃烧贯穿整个发动机燃烧室,形成分布燃烧;延长的燃烧区域导致发动机内流场分布不均匀,燃烧室是非等温的,温度由燃面附近的2600 K增长到3600 K,燃烧室核心区域温度约为3200 K;铝燃烧消耗的同时生成其他产物,也导致燃烧室内燃气组分和密度的分布不均匀;铝的燃烧是一个复杂的物理化学过程,对发动机内流场有着重要影响,颗粒相始终贯穿整个发动机,最终从喷管喷出。     

固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的收集与分析

设计了一种新的固体火箭发动机燃烧室状态粒子收集装置,可对不同工作压强和燃烧室滞留时间的凝相粒子进行收集。针对典型的HTPB推进剂,开展了不同压强条件下的实验研究,利用马尔文粒度分析仪和扫描电镜,对收集到的粒子进行了分析。结果表明,典型含铝复合推进剂凝相燃烧产物的粒径主要分布在0.05~100μm之间,粒子粒度的体积分布峰值小于5μm。随着压强的增加,粒度分布峰值略有上升,粒径分布更为集中。     

耦合凝相-气相动力学机理的二硝酰胺铵燃烧模型

为了研究二硝酰胺铵ADN(Ammonium Dinitramide)固体推进剂燃烧物理化学过程并预测其燃 烧特性,建立一个耦合凝相-气相动力学机理的ADN燃烧模型。该模型基于凝相与气相的总连 续方程、组元连续方程、能量守恒方程及有限速率化学动力学方程而建立,并引入多组元系 统状态方程封闭方程组。模型中包含34种组元,1个固相（凝相）ADN分解总化学反应和165 个气相细节（基元）化学反应,并使用以温度函数表示的物性参数进行计算。应用气相燃烧 模型 对0.6 MPa下ADN燃烧火焰温度、组元摩尔浓度分布进行预测;应用耦合凝相-气相的燃烧模 型对0.2 MPa～36 MPa压强区域内柱状端燃ADN推进剂燃速、燃烧表面温度进行预测,计算结 果与文献报道试验数据较吻合。说明该燃烧模型能够较准确描述ADN气相燃烧波结构和ADN固 体推进剂燃速特性。
     

富燃料推进剂燃烧产物粒度参数的激光衰减法测量

介绍了激光衰减法测量粒子参数的基本原理.搭建了激光衰减法测量高铝含量富燃料推进剂实验系统,解决了燃烧环境下粒度测试的光学介入问题,对高铝含量富燃料推进剂中粒子参数进行测量,对所得的凝相燃烧产物进行电镜分析,并对电镜照片进行分析处理,计算出燃烧后凝相产物平均粒径,验证了激光衰减法测量粒子参数的可行性和合理性.     

含负压力指数的复合固体推进剂的稳态燃烧机理

为了研究含负压力指数的高氯酸铵(AP)复合固体推进剂的稳态燃烧机理,采用扫描电子显微镜对中断燃烧样品进行了研究,并利用自发光或激光阴影的单幅近距摄影术对燃烧中样品进行了观察。发现已熔粘合剂对AP表面的复盖并不是聚氯酯(PU)推进剂在“mesa”区所特有的现象;而是在更广大的范围内出现的普遍现象。指出局部复盖并不一定造成局部熄火,进而提出了一个综合考虑粘合剂对AP表面的复盖和复盖下存在凝相反应及反向气化的理论模型。该模型可用于包括易熔粘合剂在内的AP复合推进剂。具有能说明“平台”、“mesa”和正常的燃烧行为,分析初温、AP颗粒尺寸对燃烧特性影响的能力。而且,也能够成为研究包括“mesa”推进剂在内的侵蚀燃烧与不稳定燃烧问题的基础。     

固体发动机喷管出口凝相微粒粒度分布研究

应用激光全息光学诊断方法对固体火箭发动机喷管出口凝相微粒分布进行了测量，并得出了其分布曲线。对凝相微粒数字图像处理算法也进行了研究。     

两种含铝复合推进剂压强耦合响应的实验对比

基于T型燃烧器双脉冲外部激励的方法,对2种含铝HTPB复合固体推进剂开展对比实验研究,分析比较其压强耦合响应特性的差异。在7 MPa条件下成功地开展了4次试验,获得了2种推进剂在T型燃烧器中的衰减常数和燃面增益常数。结果表明,由于推进剂配方中AP粒径分布存在差异,这2种推进剂的压强耦合响应常数存在差别。其中小粒径AP含量较多的推进剂更易产生不稳定燃烧现象。这一实验现象与发动机真实工作情况的表现是一致的。2种推进剂的凝相燃烧产物在发动机中的行为也表现出较大差异。     

RDX/AP 复合推进剂中声不稳定性的微粒抑制

为了说明微粒对于环三甲撑三硝胺(RDX)/过氯酸铵(AP)复合推进剂燃烧时观察到的高频燃烧不稳定的抑制作用,进行了本项实验研究。实验中看到了很高频率的燃烧不稳定,它是在推进剂药柱的圆形孔道中发生的10-30KH_2范围的横向波。这种不稳定性可以通过添加少量固体微粒而被有效地消除。燃烧不稳定区已确定为微粒大小和浓度的函数。在压力—微粒浓度曲线上确定了发生不稳定燃烧的临界范围。根据 Horton 和 McGie 的微粒抑制理论计算出临界条件下的抑制常数(α_(p.(?))),并由假设(α_(p.(?)))=-α_g 求出推进剂的增长常数(α_g)。     

铝粉粒径对高铝含量富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

通过改变铝粉粒径大小制作高铝含量推进剂,在此基础上进行热分析试验、爆热测试以及燃速测试,分析总结了铝粉粒径大小对推进剂一次燃烧性能的影响。推进剂各组分相同时,热分析结果表明,推进剂凝相反应程度相近,铝粉粒径大小对推进剂凝相反应没有明显影响;爆热测试和燃速测试表明,超细铝粉可显著改善推进剂燃烧性能,提高燃速和爆热、降低压强指数,减少燃烧产物结块、改善产物分散性;同时,超细铝粉由于自身小尺寸优势在推进剂的燃烧过程中更多地参与了气相反应,提高了推进剂气相放热量。通过以上实验分析得出,铝粉主要参与推进剂气相反应,铝粉粒径大小对推进剂气相反应影响较大。     

固体推进剂燃烧中凝相粒子的激光全息测试

概述了测试凝相粒子尺寸的基本方法，较详细地阐述了研究燃烧场凝相粒子尺寸分布的激光全息测量方法和测试结果。     

固体火箭发动机凝聚相微粒分布研究现状

凝聚相微粒尺寸分布对固体火箭发动机燃烧室效率和喷管效率有影响。本文介绍了引起固体火箭发动机两相流动损失的凝聚相微粒尺寸分布、测试方法的研究现状。     

模拟过载条件下燃烧室凝相颗粒形态参数试验研究

通过地面模拟过载粒子收集试验装置,完成了推进剂在3种不同压强工况下的粒子收集试验,初步获得了粒度分布特性、微观形貌特性及成分分布等形态参数。研究结果表明,粒子中径分布明显高于非过载状态,5.6~11.5 MPa范围内,d(0.5)主要分布在120~190μm之间。同时,针对某飞行试验发动机残骸故障处残留凝相粒子进行了收集与分析,并与地面同种压强状态下粒子形态参数进行了对比,两者分布较为一致,均呈双峰分布,粒子d(0.5)约为100~130μm。     

Ignition of fuel sprays by shock wave mathematical modeling and numerical simulation

The paper presents the results of developing of physical and mathematical model making it possible to take into account the effect of droplets non-uniformity in space and size distribution on ignition conditions for fuel sprays. The influence of condensed phase volume fraction on ignition and combustion of sprays was studied, physical and mathematical models for multi-phase flows, mixture formation and combustion of liquid fuels based on solving Navier–Stokes equations for gas phase accounting for thermal and mechanical interaction with poly-dispersed droplets array. The problems of particulate phase dynamics are regarded accounting for the interaction with gas phase atomization, evaporation and combustion.It was shown that depending on droplet size distribution and aerosol cloud density different flow scenarios were possible.Several ignition zones could be formed behind incident shock wave depending on mixture properties and initiation parameters. The possibility of numerical simulation permitting variation of definite parameters only made it possible to explain this fact.     

镁铝富燃料推进剂燃烧残渣影响因素理论分析

用最小自由能法计算了镁铝富燃料推进剂一次燃烧室产物的成分,分析了凝聚相C、Mg和A l产物含量的变化对燃烧残渣的影响;主要探讨了AP含量、Mg/A l比例、HTPB粘合剂含量、燃烧室压强对凝聚相C、Mg、A l燃烧产物含量的影响。计算结果表明,增加AP含量、设计Mg/A l比小于3/5、减小HTPB粘合剂含量、降低燃烧室压强均能减少凝聚相产物含量,有利于降低燃烧残渣。燃气发生器实验结果表明,Mg/A l比例对燃烧残渣影响的实验数据与理论分析一致。     

空间发动机真空起动点火时差及其实现方法

液体火箭发动机在真空中起动时，燃烧室内易产生三相共存的状态，其中凝聚相能引起不正常的起动压力峰而损坏发动机。本文研究了甲基肼和四氧化二氮组合为推进剂时真空起动的点火时差，以便尽量减少着火前上述状态的存在程度。给出了利用控制阀通电时差、充填时差和控制阀响应时差这三种起动方式来实现该点火时差的方法。前两种方法已在某远地点发动机上使用并获得成功。     

固体推进剂点火的表面沉积模型

本文根据固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体进行点火的特点,提出了一个点火过程的机理,即认为在点燃之前凝结物质的热粒子首先沉积在推进剂的表面上形成一层沉积层,并根据传热理论建立了固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体点火的模型,求得了固体推进剂内部的温度分布和表面温度随时间的变化,以及计算点火延迟时间的解析解,再根据对流换热系数与压力的关系计算出点火延迟时间与压力的关系,将理论计算的点火延迟时间和压力的关系与实验结果比较表明理论模型是合理的。为了验证本文所提出的点火过程的沉积机理,设计了一个实验,实验结果表明在点燃之前推进剂表面确实存在一个沉积层,因而合理的理论模型应该包括这个沉积过程。     

降低NEPE推进剂燃速的途径探讨

通过对NEPE推进剂燃烧表面的热平衡分析，指出了影响推进剂燃速的3个因素：“嘶嘶”区（fizz）的温度梯度、凝聚相反应热和燃面温度，提高了降低NEPE推进剂燃速的可能途径，研究了某些燃速降速剂的作用及其对推进剂能量的影响。用实验证明了降低燃速几个途径的可行性。