粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究

在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设扰流锥体,并针对扰流锥体不同结构外形和位置对流场中离散相颗粒浓度的影响进行了计算分析,总结出了冷态下扰流锥体对外流场颗粒浓度分布的影响规律。     

粉末燃料冲压发动机研究进展

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料,兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机,粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能,还能改善并增加其原有功能,是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。针对粉末燃料冲压发动机及其相关研究领域的发展现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末燃料供给、发动机燃烧组织、发动机点火等粉末燃料冲压发动机主要关键技术,同时对发动机技术提出了高性能粉末燃料研究、冲压空气作为驱动流化气可行性研究、发动机快速响应和环境适应潜力及工作可靠性研究等几点研究展望。通过对粉末燃料冲压发动机相关研究技术进行综述梳理,明确了其研究的重点和难点,为发展高性能冲压发动机提供了一定参考。     

Al/AP粉末发动机燃料喷射流场的数值研究

为研究Al/AP粉末发动机燃料输送方式对粉末分散及混合效果的影响,利用气相控制方程、湍流模型、欧拉模型,对金属粉末发动机粉末燃料喷射掺混过程进行了详细的数值模拟。数值计算结果表明:固相体积分数和喷射入口有无锥体结构对流场参数具有较大影响。随着Al/AP粉末入口固相质量分数增加,粉末混合区域由燃烧室尾部向燃烧室头部移动。入口处安装锥体有利于粉末在燃烧室内分散,燃烧室头部颗粒相质量分数增加,轴线上平均固相质量分数降低,喷管前粉末局部积聚现象消失。     

不同粘合剂改性硼基粉末燃料点火燃烧特性

使用重结晶及挤出滚圆的方法,制备了硼基粉末燃料,初步分析了GAP含量对粉末燃料形貌的影响。结果表明,提高GAP含量,可显著降低颗粒之间的粘聚现象,改善颗粒形状规则程度,其含量达到30%时,颗粒粒径较大、形状规则,流化性能好。在此基础上,通过点火燃烧实验研究了HTPB和GAP作为粘结剂对燃料的点火燃烧过程的影响。结果表明,相同含量下,GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间明显低于HTPB团聚硼粉样本的点火延迟时间,10%GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间远低于10%HTPB团聚的硼粉。随着GAP含量由10%提升到30%,硼基粉末燃料的平均点火延迟时间由100.7 ms缩短至45.1 ms,当GAP含量达到30%时,GAP热解产生的大量燃气会促进样本内硼颗粒在空间的离散,使硼颗粒与氧气有着更好的接触,从而在更短的时间内燃尽。     

空间重力环境对稠密气固两相流动特性影响的数值模拟

文章基于稠密气体分子运动论和颗粒动理学,建立气固流化反应器的稠密气固两相流动的欧拉-欧拉双流体数学模型,考虑了颗粒与颗粒之间离散介质特性,大涡模拟求解气相湍流流动,数值模拟反应器内稠密气固两相流体流动行为,得到了不同重力条件下的颗粒浓度、气相和颗粒相速度等计算结果。结果表明：空间重力环境是影响稠密气固两相流体动力特性的重要因素,颗粒脉动强度将随着重力条件的减小而增大。     

粉末火箭发动机燃烧室燃烧流动特性研究

选取颗粒轨道模型,对Al／AP粉末颗粒在粉末火箭发动机内流动和燃烧进行三维数值模拟,为以Al粉末燃料和AP粉末氧化剂作为推进剂的新型燃烧室的设计以及实验研究提供参考。文中提出了一种粉末火箭发动机构型,通过对发动机燃烧室进行冷态和热态数值模拟,研究了氧燃比、Al粉末颗粒大小、燃烧室体积等因素对粉末火箭发动机燃烧室燃烧性能的影响。结果表明,一定范围内氧燃比较高时,燃烧室温度反而较低;较小粉末颗粒在燃烧室内更易离散;Al颗粒粒径越小越易燃烧,Al燃烧率也越高;验证了在Al／AP粉末火箭发动机的设计中引入特征长度来匹配Al粉粒径与燃烧室体积的合理性。     

气相氛围中悬浮粉末燃料爆震燃烧研究进展

针对在氧化性气相氛围以及在燃料/氧化剂混合气相氛围中粉末燃料爆震燃烧波的传播特性,总结了气相氛围中悬浮粉末燃料爆震燃烧的实验和数值模拟研究进展,归纳了影响爆震波速度、稳定性、传播模式、细观结构和胞格尺寸的主要因素。同时,还介绍了粉末燃料应用于爆震发动机或燃烧室的案例;结合粉末爆震自身特点对实验装置和燃烧诊断测试手段和数值模拟方法进行总结分析;最后针对下一步需要开展的研究工作进行展望 。     

纳米铁基金属燃料发动机喷管两相流特性数值模拟

针对纳米铁基金属燃料发动机技术,建立颗粒燃烧模型与喷管两相流动控制模型,基于VC++软件自主编程,对纳米铁基金属燃料发动机喷管内颗粒相速度、颗粒温度、颗粒粒径、质量传递速率、颗粒速度滞后、温度滞后、流体密度、压强、雷诺数、马赫数、气相速度、气相温度等参数进行模拟仿真,重点研究了0.4～1.0 μm颗粒粒径和10～40凝...     

纳米铝粉燃烧残余物的粒度分析

在常压下对纳米铝粉、普通铝粉及AP／Al/HTPB推进剂进行了点火试验，用激光粒度分析仪对燃烧残余物进行粒度分析。结果表明：纳米铝粉具有较低的着火点，而普通铝粉很难着火；普通铝粉在推进剂中燃料过程存在显著的凝聚行为，残余物粒度分布无规律，而纳米铝粉的燃烧则无明显的凝聚行为，燃烧物只是在尺寸上有所增大，粒度分布呈现较好的规律；纳米铝粉应用推进剂将有利于提高燃烧效率。     

金属粉末燃料冲压发动机初步试验研究

为了检验金属粉末燃料冲压发动机的点火及燃烧特性,对设计的发动机进行了初步的直连式试验研究。初步试验结果表明,目前设计的燃料供应系统能将粉末燃料有效输送到发动机燃烧室;在火炬作用下粉末燃料能实现快速点火启动;火炬工作结束粉末燃料可自身维持燃烧;燃烧室壁面沉积较多,主要分为2层,其中表层为白色MgO,内层为Mg、MgO和Mg3N2的混合物。     

驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机两相流数值模拟

根据已有粉末燃料冲压发动机的特点,设计了驻涡火焰稳定器,并对现有发动机结构进行了改进,提出了驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机。采用颗粒轨道模型,对镁基粉末燃料冲压发动机进行了三维流场数值模拟,对比分析了改进前后发动机内流场结构对该发动机燃烧效率的影响,以便为进一步的实验研究提供指导。数值模拟结果表明,驻涡火焰稳定器的应用,可使燃烧效率较现有发动机提高10%。     

粉末发动机技术研究现状及展望

对目前在研究的Al/AP、金属粉末/空气、金属粉末/CO_2、金属粉末/H_2O等推进剂体系的多种粉末发动机发展现状进行了综述,表明粉末发动机可分为粉末火箭发动机、粉末冲压发动机、粉末爆震发动机三大类,不同推进剂体系的粉末发动机应用方向差异较大:Al/AP推进剂火箭发动机是最典型的粉末发动机,应用领域和常规火箭发动机的相同,其技术成熟度相对较高;金属粉末/空气冲压发动机主要用于超音速导弹或高超音速导弹推进领域;金属粉末/CO_2推进剂体系主要应用于火星开发;金属粉末/H_2O推进剂体系可用于水下推进、空间推进、金属制氢等领域,应用前景广阔,是目前的研究热点。各种粉末发动机都涉及三项关键技术,即粉末推进剂配方技术、粉末推进剂输送及流量调节技术、粉末燃料燃烧组织技术,文中提出了这些技术的基本要求,同时认为粉末推进剂输送及流量调节技术是粉末发动机的技术瓶颈。     

以铝粉为燃料的脉冲爆轰发动机数值研究

研究了采用固体粉末为燃料的脉冲爆轰发动机的流场情况。运用CE/SE方法与四阶龙格-库塔法相结合,构造了以铝粉为燃料的脉冲爆轰发动机二维两相内流场的数值计算格式。数值模拟了PDE管内轴线上压力、速度随时间的变化情况,轴截面上的压力分布云图,管内固体燃料颗粒粒径随时间的变化,以及不同情况下PDE的瞬时推力和总冲量等。由此分析了固体燃料PDE管内爆轰波的传播特性,讨论了燃烧产物的物理特征、环境温度和环境压力的变化对PDE推力性能的影响。结果表明,采用铝粉作为PDE的燃料能够提供有效的推力。数值计算结果对固体燃料脉冲爆轰发动机的研究具有重要的理论指导意义。     

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。     

基于DSMC方法的高空固发羽流模拟

为研究稀薄状态下固体火箭发动机羽流中颗粒的行为,在稀薄气相流场DSMC程序的基础上,添加了气固两相相互作用模型和颗粒相变模型。气固两相相互作用模型中,颗粒所受的作用由单个颗粒受到周围分子力和热作用公式求出,分子所受的作用由耦合求解气固相互作用方法求出,颗粒相变考虑固化、熔解,以及不发生相变的加热与冷却。用算例研究了流场的特性参数及不同粒径颗粒的温度分布,与文献数据符合良好,准确度在国内同类研究中具有一定的优势。在此基础上,针对实际固发羽流算例进行计算,分析了不同颗粒直径对流场的影响。结果表明:粒径越小颗粒扩散越开,X=0.4 m处粒径1μm颗粒的扩散较粒径100μm从0.03 m增大到0.2m;粒径越小颗粒温度降低越多,X=0.4 m处近轴线位置粒径1μm颗粒的温度较粒径100μm降低了44.4%;粒径越大,对气相流场阻碍作用越明显,X=0.02m处近轴线位置粒径100μm颗粒的速度较纯气相流场降低了54.5%。     

基于高频电磁阀的粉末推进剂质量流率控制规律研究

基于气压驱动活塞、气流夹带流化的粉末推进剂供给方案,结合高频电磁阀的脉冲工作原理,提出了一种可实现粉末推进剂质量流率调节的控制方法。通过实验研究了不同电磁阀工作频率、占空比等参数对粉末推进剂流量调节特性的影响规律。结果表明,可通过电磁阀工作频率的变化进行粉末推进剂质量流率的调节,在背压0.6 MPa、工作频率5 Hz的情况下,活塞的最大位移速度为7.79 mm/s,为开关频率15 Hz时的1.98倍。背压0.42、0.83 MPa情况下,电磁阀正常工作的临界占空比分别为0.3、0.4。通过改变电磁阀的占空比,可实现粉末推进剂质量流率调节,占空比越大,调节能力越来越小,背压0.42、0.83 MPa情况下,活塞位移速率调节比分别为2.79和2.68,活塞位移速度最大值都处于占空比为0.8的情况下,分别为27.3、6.7 mm/s。     

含铝锂合金丁羟推进剂的能量性能研究

依据最小自由能原理，采用固体推进剂能量特性计算程序计算了标准条件下含铝锂(Al-Li)合金丁羟(HTPB)推进剂的能量性能，研究了不同Li含量的Al-Li合金粉对HTPB推进剂比冲、密度、密度比冲及特征速度的影响；并采用爆热、爆热残渣粒度分布以及活性铝含量验证了Al-2.5Li(Li质量含量为2.5%)合金粉对HTPB推进剂能量特性的影响。理论计算结果表明，采用纯Li取代Al粉，HTPB推进剂的标准理论比冲最大可增加58.11 N·s/kg;当以Al-Li合金的形式取代Al粉时，不同Li含量的Al-Li合金对HTPB推进剂配方的能量性能参数影响不同，标准理论比冲以及特征速度呈现增加的趋势，密度以及密度比冲呈现降低的趋势；当以Al-20Li合金替代Al粉时，HTPB推进剂配方的标准理论比冲最大可提高39.10 N·s/kg。爆热试验结果表明，含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂的爆热略高于Al粉配方，燃烧残渣粒度d₄₃低于对照配方；含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂燃烧残渣活性铝含量低于对照配方。     

粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的耐磨性研究

以粒度为80μm的粉煤灰为增强相,粒度为30μm的铝粉为基体,采用粉末冶金法成功制备了粉煤灰颗粒增强铝基复合材料。经SEM、金相显微镜等分析手段对制备的复合材料进行组织观察,并对其进行耐磨性测试。结果表明,粉煤灰含量为20%,烧结温度为650℃时,相对损率最小为0.1590%。随着粉煤灰含量和保压时间的增加,试样的耐磨性逐渐升高,随着烧结温度升高,试样的耐磨性呈现出先升高后降低的趋势。     

不同聚集因素对燃烧室凝相颗粒粒度分布的影响

设计了一种凝相颗粒收集装置,可对燃烧室内不同聚集状态下的粒子进行完整的收集,并对颗粒的形态影响较小。针对HTPB推进剂,开展了不同流通面积和颗粒浓度条件下的粒子收集实验,利用扫描电镜和激光粒度分析仪,对收集到的粒子进行了分析。结果表明,不同聚集状态下的凝相颗粒粒径均分布在0.1～200μm之间,随着流通面积的减小,小于3μm的颗粒逐渐减少,3～10μm之间的颗粒变化不大,大于10μm的颗粒逐渐增加,颗粒平均粒径d43和d50均逐渐增大,且d43和d50的变化率也逐渐增加;随着颗粒浓度的增加,颗粒平均粒径d43和d50增大较明显。     

Metal/N_2O粉末火箭发动机实验研究

采用气压驱动供粉方式,开展了Metal/N2O火箭发动机点火实验。通过分析活塞位移及燃烧室压强振荡,研究了两相流动特性。根据液滴燃烧模型,分析了燃烧室压强、颗粒滞留时间、氧燃比等因素对发动机燃烧效率的影响。通过以上研究,验证了此种发动机的优良性能。结果表明,输送管路中固相浓度脉动幅度在颗粒粒径40μm、两相流空隙率97%、氮气流动速度27 m/s情况下小于±0.36%;Mg/N2O实验平均特征速度效率在燃烧室压强0.5 MPa情况下高达96.4%,Al/N2O实验在燃烧室0.91 MPa情况下燃烧效率达到88.5%;提高燃烧室压强、颗粒滞留时间,可提高燃烧效率,但氧燃比对燃烧效率影响较为复杂。