二次燃烧对燃气弹射载荷和内弹道影响数值研究

为了研究二次燃烧对燃气弹射载荷和内弹道的影响,采用有限速率/涡耗散模型模拟初容室内燃气射流与空气的二次燃烧过程,运用域动分层网格更新方法,对导弹尾罩运动区域进行更新。在与实验对比验证的基础上,数值研究了二次燃烧对初容室流场、载荷和内弹道的影响。结果表明,文中建立的数值方法是可靠的,能够有效地捕捉二次燃烧过程中出现的初始压强峰值;富燃燃气与空气发生的二次燃烧使流场温度、压力和载荷高于无二次燃烧流场,而且使导弹出筒时间提前。研究结果可为燃气射流内弹道和结构设计提供理论基础。     

非壅塞固体火箭冲压发动机二次燃烧室进气方案研究

用k-ε湍流模型以及EBU燃烧模型。对固体火箭冲压发动机二次燃烧三维反应流场进行了数值计算,研究了空气射流与富燃燃气射流动量之比、射流速度和燃气发生器喷管数量对二次燃烧的影响。研究结果表明,当空燃动量比在一定范围内时。若空燃动量比变大,则二次燃烧效率升高;降低空气和燃气射流的速度有利于二次燃烧效率的提高;并且增加燃气发生器喷管数量能增强燃气与空气在头部的掺混效果,为燃烧创造良好的条件。     

反推火箭燃烧产物空间羽流场污染分析

卫星与火箭之间的分离通常由安装在箭体四周的反推火箭提供可靠分离能源。在反推火箭工作过程中固体推进剂燃烧产生高温高压燃气由反推火箭喷管出口喷出从而产生星箭分离作用力,但反推火箭喷管出口喷出的高温高压燃气在真空环境中会由高密度连续介质燃气流逐渐变化到具有极低密度的稀薄气体自由分子流,形成一个相当大范围的燃气混合物羽流污染影响区,会对卫星表面洁净度产生不良影响。若在反推火箭产品类型确定的前提下,哪些因素对反推火箭羽流污染影响区域存在影响,通过对反推火箭燃烧产物的空间羽流场进行分析和数值计算,定量获取了反推火箭的安装位置与安装角度这两种因素对箭上特定区域燃气混合物羽流污染的对应关系,为后续星箭分离设计中反推火箭安装设计提供参考。     

中心进气旋转射流冲压燃烧室湍流流动数值模拟

采用Reynolds应力方程模型及涡耗散燃烧模型,对头部进气式固体火箭冲压发动机二次燃烧二维轴对称反应流场进行了数值模拟,研究了空气射流和燃气射流无旋、同向旋转和反向旋转3种进气方式对二次燃烧的影响。研究结果表明,当空气射流和燃气射流以有旋状态进入补燃室时,燃料与空气的混合速度变快,化学反应更快,燃烧也更为充分。     

液体火箭燃烧尾焰冲击干扰效应数值研究

火箭发射时其燃烧尾焰的冲击干扰效应对发射稳定性和发射架、导流槽等地面设施有重要影响。文章采用压力隐式算子分裂算法,通过求解Navier-Stokes方程,对氢氧液体火箭发动机燃烧室内燃烧过程与尾焰流场进行了一体化数值计算,得到了火箭发射后尾焰与地面撞击产生的冲击流场。结果表明:尾焰流场计算模型、方法与结果合理;尾焰冲击干扰效应会大幅度提高地面附近的压力和温度;火箭尾焰撞击地面后,高温区出现在离地面一定距离的高温层内,此时地面附近为低速区;尾焰对其正下面的地面区域产生冲击最大,主要干扰区域集中于半径为15 m的圆形区域。     

含硼富燃燃气燃烧实验研究

为实现固冲发动机二次燃烧模型验证,结合固冲发动机工作条件,设计了一种带透明观察窗燃烧实验装置;营造了简单的燃烧环境,实现了燃烧过程掺混作用的弱化;借助高速摄像进行了以空气速度作为单一变量的含硼富燃燃气燃烧可视化测量,获得了火焰形态结构;采用高速数据采集,获得了燃烧室压力;将实验数据与数值模拟结果进行了对比和分析。结果表明,燃气与空气速度相近时,火焰呈锥角结构,硼粒子的点火距离较长;燃气与空气速度差较小时,同一位置燃烧室压力较大;燃气与空气速度近似程度决定火焰的形态;数值模拟结果与实验结果基本吻合。     

固体火箭冲压发动机二次燃烧试验研究

针对某工程论证需求,分别采用缩比和全尺寸固体火箭冲压发动机,利用地面直连试验系统,开展了壅塞式固体火箭冲压发动机试验研究,采用燃烧效率和试验比冲作为评价指标,对比分析了燃气发生器进气方式与喷嘴结构、空燃比、燃气流驻留时间、尺寸效应等因素对发动机二次燃烧性能的影响。结果表明,设计的一次进气发动机能够实现高效燃烧;在测试范围内,空燃比增大发动机燃烧效率降低;延长燃气驻留时间,提高了发动机二次燃烧性能。     

固体火箭发动机尾焰流场特性研究

针对某固体火箭发动机,对二维轴对称尾焰流场进行数值模拟,并考虑复燃化学反应和Al2O3颗粒运动的影响。计算得到了尾焰射流的温度场和组分分布图,将计算结果和地面实验结果进行对比,对尾焰流场主要特点进行分析。结果表明复燃化学反应主要发生在燃气空气混合区域,化学反应使复燃区域温度升高约250 K。该计算方法能反映出尾焰复燃流场的主要特点,可为固体火箭发动机尾焰红外特性的计算提供流场基本数据。     

火箭发动机地面水平试车尾流温度场仿真分析

针对氢氧火箭发动机地面水平试车时尾流燃气对地面热防护的影响,分别采用二维轴对称模型和三维模型对发动机尾流流场进行了数值模拟。计算中,采用氢氧单步燃烧反应模型考虑尾流燃气与空气的燃烧,湍流模型选用了标准k-ε模型。仿真结果表明：三维模型中,燃气逐渐向地面流动,地面燃气温度高于二维轴对称模型中的燃气温度;发动机工况变化时,三维模型和二维轴对称模型中的地面燃气温度变化趋势相反,采用三维模型计算具有更好的可信度。     

一次火箭流量对RBCC性能影响的数值和实验研究

利用三维两相数值计算方法和地面直联试验系统,开展了不同来流速度下一次火箭流量变化对发动机性能的影响。数值研究结果表明,在不同来流条件下,一次流流量的增加对发动机推力和比冲的贡献不同,在低速条件时,一次火箭流量的增加对来流空气的加热以及缩短二次燃料的雾化蒸发时间和距离起着积极的作用,对性能的提高有一定作用;当来流速度较高时,过大一次流流量对流动通道产生了阻塞效应,造成对推力和比冲贡献作用的减小。试验结果验证了数值研究得到的规律,特别在高马赫数条件下,一次火箭流量的增加对推力和比冲的贡献是减小的,且飞行速度越高,这种贡献越小。无论低速还是高速来流条件,存在着一个优化的一次流流量,这对提高发动机性能有很大好处。     

无控火箭箭架系统扰动分析

无控火箭发射时,箭架系统耦合振动使得半约束期发射扰动引起的火箭偏转角速度变化和下沉量加剧,成为影响火箭落点散布的关键因素。以某型火箭发射系统为基础,采用物理模型和软件分析方法研究发射装置液压缸振动、发射仰角和箭架配合间隙等因素对出轨扰动的影响。根据液压缸压力变化结果,计算出燃气流作用下箭架系统的扰动频率,进而计算出燃气流扰动下火箭在半约束状态下受牵连运动影响的初始扰动值。理论计算结果显示,箭架振动幅值约占整个扰动角速度的1/5。计算和试验测量结果吻合较好,分析结果对火箭精度、箭架结构匹配性分析和发射装置设计具有指导意义。     

美国1988年开发的几项固体火箭新技术

固体火箭发动机被点燃后,其燃气流就无法调节.大西洋研究公司和赫克里斯公司通过把燃烧分成两个阶段来试图实现固体发动机燃气的调节.在它们的可变流导管火箭中,贫氧推进剂先在燃气发生器中部分燃烧,然后混入空气完成燃烧.再利用阀门控制富燃的燃气流向燃气发生器外排出,从而就控制了推力.     

空气节流对煤油燃料超燃燃烧室燃烧性能影响

采用非定常数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧性能的影响,并研究了节流流量和节流撤去时间对节流效果的影响。在发动机入口马赫数2.0、静温656.5K、静压0.125MPa的条件下,无空气节流时发动机下壁面稳焰失败,壁面压力较低;有空气节流时发动机下壁面燃料稳定燃烧,壁面压力较高。空气节流可以有效地提高发动机的推力性能,可以改变发动机的燃烧模态。随着节流流量和节流撤去时间的增加,燃烧越来越剧烈,壁面压力逐渐升高,可能影响进气道的起动。节流可能促使流场产生振荡现象,通过改变节流流量也可以消除振荡现象。     

大水深火箭发动机尾流场数值模拟

针对火箭发动机在深水环境下工作的燃气射流特性,采用VOF(Volume of Fluids)方法建立了二维轴对称两相数值计算模型,对深水长尾喷管火箭发动机点火初期的过程进行了数值模拟。模拟了长尾喷管喷管燃气射流的气泡的形成、发展及断裂过程,获得了气液两相流场中压强、马赫数、温度等参数的变化规律。计算结果表明,长尾喷管出口出现周期性的压力脉动,气液相互作用过程中形成含涡结构的边界层。水深越大时,环境压力越大,长尾喷管出口的压力、速度波动越大,射流稳定后长尾喷管轴线上的压力、速度保持不变。研究结果可为深水火箭发动机的设计提供参考。     

一次燃气混合比对引射火箭二次燃烧火焰稳定的影响

在综合分析引射火箭燃烧组织模式的基础上,针对固定结构的引射火箭发动机.借助双燃烧室冲压发动机的原理,开展了SMC+DAB混合燃烧组织模式的数值分析和发动机直连实验研究,详细分析了富燃一次燃气对二次燃烧火焰稳定的作用及其对发动机性能的影响.鲒果表明,SMC+DAB混合燃烧模式具有一定的优点,合适的一次燃气混合比可起到稳定二次燃烧火焰和提高发动机性能的作用,偏高和偏低的一次燃气混合比都不利于发动机性能的提高.在文中给定的实验条件和参数条件下.一次燃气混合比应为0.7左右.     

火箭级间分离过程流场数值模拟

火箭级间不同排焰窗位置构型会对级间动态热分离过程产生影响,采用耦合求解轴对称非定常N-S方程与一维分离动力学方程的方法,开展了多个工况的数值仿真,研究了不同排烟窗位置的影响。结果表明,排焰窗位置更加靠近二级火箭时有利于两级火箭在分离过程中获得较高的相对加速度,促进两级火箭的快速分离。但此时级间区域流场在分离过程中存在剧烈震荡的阶段,而当排焰窗位置更加靠近一级火箭时,级间区域流场则相对平稳,一级火箭前封头受力也更加均匀。     

下颌式进气道固冲发动机二次燃烧性能研究

针对采用下颌式进气道的固体火箭冲压发动机,建立了二次燃烧性能计算模型,对掺混燃烧性能进行了仿真研究。研究表明,采用掺混装置可大幅提升下颌式进气道的固冲发动机补燃室一次燃气和空气的掺混均匀度,并通过数值仿真对掺混装置进行了优化。结合数值仿真优化结果,通过地面直连试验,验证了不采用与采用掺混装置的补燃室二次燃烧性能。试验结果表明,合理设计掺混装置,可显著提高补燃室二次燃烧性能,特征速度燃烧效率均在93%以上;空燃比在6~20之间的发动机高空比冲提升了55%以上,空燃比在20~30之间的发动机高空比冲提升了75%以上。     

高燃压中型运载火箭发射地面低高度排导技术

综合高燃压中型运载火箭高密度发射燃气流地面排导需求及烧蚀风险分析,提出基于地面双面导流装置与高位挡流墙结合的地面低高度排导技术方案。利用火箭发射燃气动力学研究总结的燃气流膨胀特性以及导流型面设计方法,解决了地面低高度排导技术涉及的地面导流装置导流型面气动设计以及尺度控制两个关键问题。地面低高度排导技术方案设计与燃气流场瞬态仿真多轮叠代,实现了燃气流排导烧蚀范围合理控制,避免了燃气流低高度排导烧蚀反溅影响箭体。地面低高度排导技术采用专利支撑的喷水冷却防护方案实现高燃压中型运载火箭发射燃气流强烧蚀环境发射系统、发射设施综合防护。基于喷流缩比试验相似性控制方法研制了1∶10比例喷流缩比试验系统,通过喷流缩比试验验证确认高燃压中型运载火箭发射燃气流能够实现地面低高度安全、顺畅排导,同时与发射台、导流装置结构融合的阵列喷水方案能够行之有效解决高燃压中型运载火箭地面低高度排导强烧蚀难题。     

某液体火箭发动机燃气路异常压力脉动分析

针对某液体火箭发动机燃气路内出现的异常压力脉动现象,通过数值仿真获得了螺旋流和分叉流两种流型,提出了两种流型相互切换引起的流动不稳定解释。燃气三通内的螺旋大涡及氢/氧燃气导管内的螺旋流动会引起流阻增大,导致燃气路局部压力跳变。数值仿真、气流试验均复现了燃气路热试过程中的压力跳变现象,获得了燃气路流动稳定性边界。热试结果...     

燃气喷注条件对中心支板式固体冲压发动机燃烧性能影响研究

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点，然而在超声速空气流的燃烧室中，如何让燃料更好地与空气掺混，增加颗粒停留时间，在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。提出了一种基于中心支板燃气喷注的含硼固体火箭超燃冲压发动机方案，开展了模拟马赫数6.0、高度25 km来流条件下的地面直连试验和数值仿真研究，验证了该方案的合理性和优势，并获取了燃烧室内的燃烧特性，探寻了固体燃气喷注方式对燃烧室性能的影响规律。结果显示，相比于中心支板喷注方案，侧壁喷注存在总压损失大、反压激波串长度大、进气要求严苛等问题，但能够增强掺混，提高燃烧效率,缩短燃烧所需距离；而在中心支板式固体冲压发动机中，在燃烧室侧壁面引入较小流量的一次燃气，可以增大固体颗粒在燃烧室内的穿透深度，提高燃烧效率和燃烧室性能。