甲烷-液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法和火焰面-反应进度变量湍流燃烧模型,在准确考虑热物性变化和详细化学反应机理的基础上,建立了适用于超临界压力非预混湍流燃烧的数值模型,开展了甲烷-液氧(LOx)超临界压力同轴喷射非预混湍流燃烧过程的数值模拟研究,着重探讨了推进剂混合比分别为1和3情况下超临界工作压力(6~15 MPa)对甲烷-液氧非预混湍流燃烧过程的影响。结果表明:不同混合比情况下压力对火焰温度和结构的影响会有显著的不同。在推进剂混合比为1时,随着压力的升高,火焰变得更长,且火焰温度升高;而在推进剂混合比为3时,随着压力的升高,火焰长度则会变短。在超临界压力下,火焰沿径向有突然的扩张现象(特别是在6 MPa压力下)。这主要与液氧物性在拟临界温度附近的突变所造成的拟沸腾现象有关,也会受到液氧喷射动量变化的影响。     

固体火箭发动机液体喷射熄火模型

在实验研究的基础上,提出固体火箭发动机液体喷射熄火模型。该模型综合考虑了固体推进剂的瞬态燃烧、射流换热、液滴蒸发和发动机内弹道等耦合作用,成功地实现了对液体喷射熄火过程(临界参数和熄火用液量)的理论预示。理论研究发现液体喷射瞬变燃烧存在着临界喷射压降。当喷射压降大于该临界值时,熄火才能实现。随着推进剂能量的升高,临界喷射压降增加。随着喷射压降的增加,熄火用液量和降压速率分别下降和升高,其变化率逐渐减小。熄火用液量不存在最小值,因而在工程设计中,必须合理选择喷液量和喷射压强这两个设计参数。理论预示与实验结果吻合良好。     

含高氮化合物BTATz的CMDB推进剂特性

以新型高氮化合物3,6-双(1-氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz)取代RDX制得了BTATz-CMDB推进剂试样,获得了燃速结果,并利用TG-DTG,PDSC,单幅照相、燃烧波温度分布和熄火表面形貌及元素含量测试技术对推进剂的热分解特性及燃烧特性进行了系统研究。结果发现,BTATz的氧平衡值较低,用其取代双基推进剂中的NC和NG后,推进剂的各能量特性参量出现不同程度的降低,因此,BTATz在推进剂中的含量不宜太高。BTATz-CMDB推进剂适用于常规无溶剂成型工艺进行制造;BTATz在燃速提升方面具有突出潜力,尤其在对推进剂主放热反应催化加速的催化体系(邻苯二甲酸铅、己二酸铜和炭黑的混合物)作用下,燃速提升效果更加明显;BTATz-CMDB推进剂燃烧时的火焰符合双基系推进剂火焰的一般特征,但由于BTATz不存在类似RDX那样的熔融过程,该类推进剂燃烧产生了发散火焰束,燃烧表面由熔融状变为疏松珊瑚状,火焰强度增强;随着压强升高,燃烧表面产生发散火焰束的活性点增多,暗区迅速变薄,增加了火焰区向燃烧表面的热反馈,加速了燃烧反应;催化体系对推进剂燃烧反应的气相区影响不大,它加强了凝聚相及表面附近的放热反应,改变了推进剂燃烧表面的结构,在推进剂燃烧过程中,催化剂(新生态)在推进剂的燃烧表面富集,催化了推进剂的分解和燃烧,促进了推进剂燃速的提高。     

固体火箭发动机液体喷射熄火液量的确定

本文运用固体火箭发动机液体喷射熄火模型 ,确定了液体喷射熄火液量 ,研究了推进剂能量、压强指数、燃烧室压强、液体性质和喷射压降等多种因素的影响。     

液体燃料碳原子数对微尺度扩散火焰特性的影响

为了解微尺度扩散火焰燃烧特性,选用正戊烷、正庚烷、正辛烷、正癸烷、正十二烷五种不同液体烷烃,进行燃烧实验。结果表明:火焰在不同流量下会呈现球型、椭球型、细长型、聚积型以及喷射型;燃料含碳越多,其火焰燃烧极限越小。对于每种烷烃,火焰高度H与Re都呈线性正相关,燃料含碳量越多,火焰高度H随Re变化越小;Roper火焰长度预估模型对于液体烷烃同样适用,实验所得数值与模型的误差在25%以内。火焰管壁温度随流量增大而降低,火焰温度随流量增大而升高,火焰温度与火焰形态有关;不同燃料的管壁温度和火焰温度都随含碳量增大而降低。     

凹槽火焰稳定器结构对煤油超声速燃烧的影响

采用混合分数平衡化学反应模型和离散液滴模型，研究了不同长深比和后缘倾角的凹槽在液体煤油双模态燃烧中的火焰稳定特性。结果表明，集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽，在所模拟的工作过程中增强了燃料与空气的混合和燃烧；并得到最优的凹槽结构；混合分数平衡化学反应模型和离散液滴模型能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧。     

高氯酸铵/硝胺推进剂燃烧模拟

本文提出了一个高氯酸铵/硝胺推进剂的复合火焰燃烧模型,该模型不仅适合于任一配比的高氯酸铵/硝胺推进剂,而且也适合于高氯酸铵基推进剂和硝胺基推进剂的燃烧模拟.计算结果和文献值、实验值吻合较好.结果表明,该模型能正确地预测许多因素对推进剂燃烧速率的影响.     

固体发动机额定推力的调节

在有喷射的情况下,调节固体发动机的额定推力有三种方法:1、在喷管流中喷射附加质量流;2、使喷射流与推进剂的燃烧产物起化学反应;3、改变推进剂表面上的火焰结构.前二种方法已由Reichard论叙过.虽然这些方法的效应可以通过计算来预估,但所有有关固体药表面率与燃烧室压力之间的关系式都是建立在试验基础上,没有一个完整的火焰理论可用来解释和预估推进剂性能.     

Mg/Al合金对CMDB推进剂燃烧性能的影响

通过激光粒度仪分析了Mg/Al合金粉的粒径及粒度分布。利用TG-DSC热分析仪分析推进剂的热分解特性。用燃烧实验装置研究了推进剂的火焰结构,并对CMDB,Al-CMDB,Mg-CMDB和Mg/Al-CMDB推进剂四种火焰结构进行比较。用SEM和EDS研究了CMDB推进剂的熄火表面形貌和表面特征组成。结果表明:Mg/Al-CM-DB推进剂在DSC曲线上存在一放热峰660.3℃。Mg/Al合金粉改变了推进剂的燃烧状态,提高金属燃料Al粉的燃烧效率。     

含铝复合固体推进剂液体喷射熄火研究

本文对含铝 18.5%、 16%的 PU和 HTPB推进剂进行了液体喷射熄火研究。结果表明:可靠熄火用液量随推进剂能量增加而增加;随着射流压降的增加,熄火速率和用液量分别增加和减少;燃烧室压强升高,用液量增加;除熄火用液量外,存在一个无因次参数,它综合反映了推进剂能量和燃速特性、喷射工况、液体性质、燃烧压强等对熄火过程的作用。      

加速度对含铝复合推进剂瞬时燃速的影响

本文研究了加速度向量对含铝复合推进剂瞬时燃速的影响.其中包括加速度大小和方向对推进剂瞬时燃速增加率的影响和在同一加速度条件下铝粉粒径、铝粉含量和铝粉形状对瞬时燃速增加率的影响.此外,还对研究结果进行了分析和讨论.     

脉冲发动机建压段瞬态燃速模型

针对脉冲发动机工作时间短,压强高的特性,对建压阶段的瞬变燃烧过程进行了模型研究。该模型基于非稳态凝聚相能量方程,并耦合气相热反馈为求解该能量方程的边界条件,从而引入压强对燃烧过程的作用。模型中压强的变化规律由同样条件下的试验p-t曲线拟合得到。通过模型计算,可以对建压过程中推进剂表面温度随时间的变化规律、各压强下的瞬态燃速做出预测,结果与试验数据较好地吻合。用该瞬态燃速进行建压段内弹道仿真,与稳态数据相比,更接近实测曲线,表明该模型可以用于脉冲发动机建压段的瞬态燃速的预估。     

含C60的RDX-CMDB推进剂性能研究

通过燃速、爆热、活化能和温度分布等参数的测试和计算，发现C(60)能显著提高推进剂的火焰温度和燃烧表面温度，降低压强指数，使平台区范围变宽且向高压方向移动，推进剂的爆热也提高约10％。此外从反应机理上提出C(60)-Pbx络合物的催化作用，改善了RDX－CMDB推进剂燃烧性能；富集物（含10％C(60)的烟炱）中C(60)主要以分子状态存在，因此它能把C(60)均匀分散到推进剂中，而且保持C(60)化学活性，比纯C(60)的催化效果更好。     

Thermal state calculation of chamber in small thrust liquid rocket engine for steady state pulsed mode

This paper presents a method of thermal state calculation of combustion chamber in small thrust liquid rocket engine. The goal is to predict the thermal state of chamber wall by using basic parameters of engine: thrust level, propellants, chamber pressure, injection pattern, film cooling parameters, material of wall and their coating, etc. The difficulties in modeling the startup and shutdown processes of thrusters lie in the fact that there are the conjugated physical processes occurring at various parameters for non-design conditions. A mathematical model to predict the thermal state of the combustion chamber for different engine operation modes is developed. To simulate the startup and shutdown processes, a quasi-steady approach is applied by replacing the transient process with time-variant operating parameters of steady-state processes. The mathematical model is based on several principles and data commonly used for heat transfer modeling: geometry of flow part, gas dynamics of flow, thermodynamics of propellants and combustion spices, convective and radiation heat flows, conjugated heat transfer between hot gas and wall, and transient approach for calculation of thermal state of construction. Calculations of the thermal state of the combustion chamber in single-turn-on mode show good convergence with the experimental results. The results of pulsed modes indicate a large temperature gradient on the internal wall surface of the chamber between pulses and the thermal state of the wall strongly depends on the pulse duration and the interval.     

平台推进剂催化燃烧模型

为了研究平台推进剂燃烧机理，考虑到泡沫区内固相、气相及液相之间的各种作用，建立了多相反应燃烧模型，设计了数值解法，计算了相分布、燃速压力曲线等参数。初步结果表明，该模型可以解释平台效应，对推进剂配方研制有一定指导意义。     

含铝复合推进剂燃速计算研究

本文专门探讨了利用 PEM模型计算含铝复合推进剂的燃速和压强指数。文中提出一种确定假想推进剂配方的新方法 ,并以此为基础建立了一个扩展和改进的 PEM模型 ,利用该模型计算了含铝推进剂的燃速和压强指数     

固体火箭发动机液体喷射熄火过程中喷射液体的射流速度和液滴运动与蒸发

针对在固体火箭发动机液体喷射熄火研究中所用液体喷射实验装置,推导了液体射流速度,液滴运动与蒸发的控制方程组,并进行丁数值求解,研究了影响射流速度、液滴尺寸及其蒸发速率的因素。结果表明:液滴的初始速度和直径主要受喷射压降、液体表面张力和粘度的影响;影响液滴运动速度的因素有环境压强和温度;环境温度和液体的汽化潜热对液滴的蒸发速率有着重要的影响。上述结果对于合理设计满足固体火箭发动机熄火要求的液体喷射装置,选择合适的液体介质具有一定的指导意义。