颗粒冲刷条件下绝热层二维烧蚀计算

在颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀试验研究的基础上,对该条件下的绝热层烧蚀机理进行了理论分析,建立了颗粒冲刷条件下的绝热层二维炭化烧蚀模型,进行了该条件下的绝热层烧蚀计算。烧蚀机理分析认为,冲刷条件下绝热层烧蚀加剧的直接原因为颗粒对炭化层的机械剥蚀作用,经回归分析得到了炭化层厚度Ht和颗粒浓度Gp、颗粒冲刷速度vp、颗粒冲刷角度α之间的经验关系式:Ht=5.761G-p0.013 7(vpsinα)-0.409。烧蚀计算模型基于二维适体网格,并发展了一种自适应加密和加强网格正交化的方法。计算获得的绝热层型面推移结果和利用X射线实时荧屏分析(RTR)测量得到的绝热层动态烧蚀试验结果吻合较好,表征出了颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀过程的型面变化规律。该烧蚀模型适用于颗粒冲刷条件下绝热层的烧蚀计算。     

高过载条件下固体发动机内流场及绝热层冲蚀研究

针对Ф315mm实验发动机和某发动机工作状态及结构特点，进行了发动机燃烧室内三维两相流动数值模拟和内绝热层的炭化冲蚀规律研究。计算中应用了颗粒轨道模型和二阶迎风有限体积方法，对纵、横加速度载荷下的两相流动进行了模拟，分析了纵、横向载荷对两种发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响；应用绝热层炭化冲蚀和两相流粒子热增量模型，分析了实验发动机在多种纵、横向过载作用下的绝热层冲蚀规律。在与Ф315mm实验发动机结果对照后，修正了炭化冲蚀计算所需参数，进一步预示了发动机的三维两相流场和炭化冲蚀率，并在35gn过载下分析了推进剂含铝量对粒子聚集密度和炭化冲蚀的影响。计算结果为发动机故障分析和实验发动机试车结果评定提供了理论基础。     

富氧环境下绝热层烧蚀模型

采用模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境的试验系统,测试了几种绝热层材料不同氧含量环境下的烧蚀特性。烧蚀过程中燃气中的氧化性组分会渗入炭化层内部,在炭化层内的孔隙中与材料发生放热的化学反应,大量消耗碳,加剧了烧蚀的过程。通过试验结果分析,建立了以基体层、热解层、炭化层为基础的富氧烧蚀模型。应用该模型预估了试验所用绝热层材料的烧蚀率,计算值与试验值较为一致。     

两相环境下EPDM绝热层多因素耦合烧蚀预估

为保证发动机能在恶劣的环境中运行,在绝热层的设计中,绝热层的厚度将直接影响着发动机结构的稳定性,而绝热层的烧蚀预估对于绝热层厚度的合理设计非常重要。为解决固体火箭发动机三元乙丙橡胶(EPDM)绝热层烧蚀性能工程预估问题,结合固体火箭发动机内两相流动的环境特点,以热化学烧蚀三方程模型和扩散化学动力学双控制机制为基本数学模型,以炭化层表面孔隙率为耦合参数,并综合考虑气流和粒子的侵蚀效应,建立了绝热层多因素耦合烧蚀模型的控制方程。通过对控制方程的隐式求解和对绝热层温度分布以及烧蚀线、炭化线、热解线位置的综合分析,获得了两相环境下EPDM绝热层的理论炭化烧蚀率。所得烧蚀率与实验结果对比,误差小于10%,表明给出的烧蚀预估方法可用于固体火箭发动机两相环境下EPDM绝热层烧蚀工程分析。     

有机纤维/EPDM绝热材料性能研究

通过对腈纶短纤维、芳纶短纤维各自用量对EPDM绝热层材料烧蚀速率、孔隙率影响的研究,并结合氮气环境下热失重曲线和炭层SEM照片分析,发现腈纶短纤维不仅高温残炭率高于芳纶短纤维,而且可在较宽的温度范围内逐步热解炭化,烧蚀过程所产生的热解气体能逐步而快速地释放出炭层,结炭层孔隙率小,致密坚硬,能抵抗高温燃气流的烧蚀和冲蚀作用,材料的烧蚀速率较低;芳纶短纤维虽然具有较高的热稳定性,但热分解温度范围较窄,热解所产生的大量气体很难快速释放出炭层表面,结炭层孔隙率大,炭层疏松且呈层片状,不能抵抗高冲蚀性粒子流的烧蚀和冲蚀,烧蚀速率较高。     

飞行加速度对固体发动机后封头绝热层烧蚀的影响

固体火箭发动机后封头绝热层的炭化烧蚀率与飞行加速度有关。概述了国内外在这方面的一些研究情况，着重讲述了固体火箭发动机后封头内绝热层烧蚀的实验研究。实验表明：不同材料的绝热层在加速度作用下烧蚀率明显不同。在加速度作用下，后封头内绝热层的炭化烧蚀率小于静止状态的炭化烧蚀率。     

模拟过载条件下EPDM绝热材料烧蚀模型(Ⅱ)——考虑炭层孔隙结构的颗粒侵蚀模型

分析不同颗粒冲刷状态下三元乙丙绝热材料炭化层的微观结构,确定炭化层为疏松多孔介质,整体结构为致密/疏松结构.颗粒侵蚀作用分为颗粒机械破坏和颗粒热增量,根据不同冲刷状态炭化层结构形态建立颗粒机械破坏模型；通过实验测试确定颗粒热增量模型.根据气相沉积原理拟合炭化层中致密结构,将颗粒侵蚀模型与考虑炭层孔隙结构的热化学烧蚀模型...     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀质量损失计算

运用较完备的烧蚀模型，采用了动边界显式差分格式，对固体火箭发动机内绝热层的烧蚀及其温度场进行了耦合计算。计算得到烧蚀率、炭化率、烧蚀厚度和炭化厚度，以及根据绝热层的工作时间计算出内绝热层的质量损失及发动机工作完成后一段时间内后效炭化质量损失。采用该方法不仅能使内绝热层设计更为合理，而且为后效推力的研究打下了基础。     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀分析

提出了一种固体发动机内绝热层的化学烧蚀模型。模型考虑了发生在绝热层烧蚀表面的五种化学反应。绝热展在烧蚀过程中按材料物性变化情况分为碳化层、原始材料层,中间假设为一热解面。在内绝热层烧蚀模型中建立了内绝热层表面烧蚀过程的能量和质量的平衡关系,并运用动边界热传导差分求解出绝热层内部的温度场。用该模型对一种固体发动机内绝热层的烧蚀进行了计算,其结果与发动机试验解剖测量值基本相符。     

固体火箭冲压发动机补燃室掺混段硅基绝热层冲蚀分析

硅基绝热层在补燃室高温环境中形成的熔融层受到高速气流的剪切作用,逐渐脱离炭化层,形成冲蚀现象。通过建立冲压发动机绝热层气动吹除过程的数学模型,对发动机绝热层的冲蚀过程进行了数值模拟。结果表明,冲蚀强度同当地气流温度及流速紧密相关;在进气道下游,两进气道之间绝热层受到的冲蚀作用最强;补燃室头部温度较高,但是由于气流流速较低,受气流冲蚀影响较小。对比表明,气流温度与速度共同决定的热流密度控制熔融层的形成速度,对于稳定发展的发动机流场,冲蚀作用主要受绝热层气流速度控制。     

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。     

粒子冲刷对丁羟推进剂燃烧性能影响试验研究

利用X射线实时荧屏分析技术(RTR),开展了粒子冲刷条件下固体推进剂燃烧特性试验研究,获得了冲刷条件下丁羟推进剂燃烧界面动态退移图像和燃速变化规律。结果表明,在不同粒子冲刷速度条件下,丁羟推进剂的燃速均有增大。当粒子冲刷速度大于某一值时,燃面上会有凹坑形成,表明粒子冲刷导致推进剂燃速增加加剧,当冲刷速度小于这一值时,燃面上不会有明显凹坑出现,但在气相冲刷的作用下燃速也会有不同程度地增大,改变粒子浓度对燃速的影响不太明显。     

硅基材料烧蚀模型研究

对冲压发动机燃烧室所使用的硅基热防护材料，用以往的单纯因二氧化硅液态层被气动吹除减薄的模型进行烧蚀计算，计算结果和实际偏差很大。我们根据硅基热防护材料的实际特性，在原有的液态层模型的基础上，考虑了夹杂碳化层对熔融态硅基的补强作用，提出了既有液态层吹除也有化学反应烧蚀的新模型，即考虑了热解、熔融和碳化、气动吹除结合化学反应烧蚀的多因素过程。并根据硅基热防护材料的烧蚀特点，根据发动机模型的试验结果，初步总结出了液态层粘附力的经验公式。从物理概念上分析可以看出该模型基本符合实际情况；从多种工况计算结果可看出，新模型和经验公式是比较合理的。     

试验条件对EPDM绝热层耐烧蚀性能的影响

通过烧蚀试验研究了烧蚀时间、燃气流量及烧蚀角度等因素对EPDM绝热层烧蚀性能的影响。结果表明，在不同烧蚀时间内，EPDM绝热层的烧蚀率表现出不同特征，EPDM绝热层烧蚀率与燃气流量成正比关系，燃气以一定角度侧向烧蚀绝热层时，炭化层极易脱落。     

嵌金属丝端燃装药方案绝热层设计方法

根据固体火箭发动机绝热防护模型,提出了一种嵌金属丝端燃装药绝热层设计方法。用该法对某特定发动机燃烧室绝热层的设计结果表明:与动机原绝热层烧蚀相比,用本方法设计的绝热层可在绝热防护达到安全要求的同时,最大化地降低发动机消极质量。     

EPDM绝热材料耦合烧蚀模型

以EPDM类绝热材料烧蚀特性为研究对象,借鉴多孔介质领域的相关理论和方法,以炭化层的孔隙结构特征和参数为纽带,建立了考虑热化学烧蚀、颗粒侵蚀和气流剥蚀的EPDM类绝热材料耦合烧蚀模型,并进行了模型的初步实验验证。结果表明,所建立的模型不仅在EPDM类绝热材料烧蚀率预示方面具有较高的计算精度,而且在细管上能够基本反映绝热材料的烧蚀特性。     

燃气参数及材料缺陷对绝热层烧蚀率影响的试验研究

提出了固体火箭发动机绝热层烧蚀性能的试验评估方法，建立了在不同燃气参数和绝热层材料有缺陷条件下的烧蚀模型及烧蚀率经验公式，并对绝热层烧蚀率影响程度进行了分析，为绝热层设计提供了依据。     

基于RTR技术的绝热层烧蚀实时测量试验

发展了一种基于X射线实时诊断技术(RTR)的绝热层烧蚀实时测量方法,对高浓度颗粒流冲刷条件下绝热层瞬时烧蚀率进行了测量,成功获得了强冲刷条件下绝热层表面烧蚀退移过程的序列图像。结果表明,不同时刻凹坑最低点的位置沿试件长度方向变化,其连线近似与气流的冲刷方向平行;通过图像处理获得了瞬时烧蚀率和平均烧蚀率随时间变化的数据,结果显示试件烧蚀凹坑最低点处烧蚀率在开始时迅速增大,到达峰值后开始下降,并逐渐趋于平缓。该结果可为绝热层烧蚀机理研究提供依据。