SMC模式下RBCC发动机4Ma工况性能仿真

为研究SMC模式下火箭混合比对RBCC发动机性能的影响规律,完成了氢/氧火箭推力室中心布局、二元定几何结构模型发动机飞行马赫数Ma₀=4、高度H=17 km弹道点流场仿真,获得了不同火箭混合比(MR=2、3、4、5、6、8)及燃烧室长度的推力、比冲性能。研究表明:在火箭燃气富燃条件下(MR<8),产生了正的火箭推力增益,且随着混合比的减小,火箭推力增益增加;二次燃烧过程受火箭射流与冲压主流剪切层掺混主导,在给定的基准燃烧室长度下,燃烧效率随着混合比的提高而增加,且火箭射流与冲压主流的超/超射流剪切层燃烧过程一直持续到喷管出口;通过增加燃烧室长度,火箭富燃燃气获得更为充分的燃烧,发动机性能显著提升,但在具体发动机设计中,燃烧室长度的选取需在燃烧效率与结构惩罚之间进行权衡。     

支板增强混合超声速燃烧的大涡模拟研究

基于开放源代码软件Open FOAM,建立了三维可压缩反应流动大涡模拟求解器,采用了Pa SR亚格子燃烧模型和27步的氢气-空气反应动力学机理,开展了支板增强混合的超声速燃烧大涡模拟研究,对比了滑移和粘性2种不同壁面边界条件的影响。计算结果表明,不同截面上的平均轴向速度和温度与实验数据吻合良好,较好捕捉了超声速扩散燃烧的火焰空间发展过程。详细讨论了剪切层增长、发展和破碎对燃烧过程的影响,揭示了支板后旋涡脱落与燃烧过程的耦合作用,区分了支板下游亚声速区和超声速区内不同的掺混模式。利用化学爆炸模式分析方法,获取了爆炸化学过程及其特征时间尺度,得到了详细的火焰结构及其稳定机制。     

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。     

水下燃气射流流场数值研究

研究了固体火箭发动机水下燃气射流流场的复杂多相流问题.采用多相流MIXTURE模型,考虑了流体的可压缩性、粘性、重力作用、气水掺混效应和能量交换等各项因素.选取标准k-ε湍流模式,运用有限体积法对轴对称湍流射流流场进行数值模拟.通过对无来流情况下湍流射流模拟,发现了燃气射流的颈缩、断裂和回击现象,并通过分析解释了产生这一现象的原因.计算了有来流情况下的射流流场,发现有来流情况下燃气射流没有断裂和回击现象.     

圆形燃烧室支板火箭超燃冲压发动机数值模拟

为了提高大尺寸超燃冲压发动机的掺混燃烧和火焰稳定能力,提出了以中心主支板和支板火箭进行点火和火焰稳定的超燃冲压发动机基本结构,采用轴对称的圆形燃烧室以及小支板和凹腔等混合增强方式,通过包含多步简化动力学的数值模拟方法,研究了支板、凹腔结构与圆形燃烧室的不同匹配关系.结果表明,隔离段中心主支板能有效提高燃料与空气的掺混度...     

空气涡轮火箭发动机内外涵气流掺混研究

通过无化学反应、均匀进气条件下肼单组元空气涡轮火箭发动机混流燃烧室内流场的数值计算,得到了流向涡与正交涡系产生、衰减演变过程及其对内外涵气流掺混效率的影响规律。结果表明,大尺度阵列二次环流诱导形成的流向涡对内外涵气流掺混起主导作用,大波瓣穿透率的斜切波瓣混流器的综合性能较优。结合热试车结果,分析了包括波瓣混流器在内的两类掺混方案的强化掺混效率。分析表明,非均匀进气条件对小尺寸空气涡轮火箭发动机掺混燃烧效率影响很大。     

颗粒相对固体火箭发动机稳定性影响的大涡模拟研究

为研究颗粒相对固体火箭发动机(SRM)稳定性的影响,在考虑颗粒燃烧和两相间耦合的条件下时模型固体火箭发动机内部多相湍流进行了大涡模拟.结果发现:在颗粒相的作用下,发动机上游形成了强度很小的小尺度湍流;在主燃烧室可观察到颗粒相具抑制大尺度湍流向流场核心区和近壁区渗透的作用,抑制作用受颗粒大小和含量的影响.颗粒相可增加小尺度的湍流扰动,但同时也抑制了主燃烧室内大尺度湍流的不稳定性.     

高过载条件下固体火箭发动机绝热层失效研究

根据化学反应／两相流耦合,建立了铝粒子燃烧模型,通过化学反应速率模型的模化湍流燃烧,对含铝推进剂固体火箭发动机在高过载条件下的内流场进行数值研究。结果表明,过载条件下燃烧室局部异常铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致绝热层异常烧蚀的主要原因。     

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。     

基于高速化学发光测量的超声速燃烧室振荡特性统计学分析

为分析超声速燃烧室中的火焰振荡特性,以氢气为燃料,采用高速化学发光测量对两种当量比下凹腔燃烧室中的火焰发光图像进行了采集,时间重复频率为100 k Hz。通过对所采集的图像进行统计学分析,包括时均分析、标准差分析、本征正交分解(POD)分析、剪切层火焰面速度振荡分析,研究了凹腔内燃烧振荡的宏观模式及瞬态特性。结果表明,当量比为0.3和当量比为0.2的工况,火焰均稳定在凹腔内部,且火焰稳定位置和表面积都极为相似,当量比为0.3时在超声速主流区发现明显的火焰信号,分析是由较大的燃料射流形成的弓形激波导致的。POD结果表明,两组工况下凹腔燃烧室中火焰的振荡以凹腔内部流动方向的振荡为主,同时复合了凹腔内部各个回流区与剪切层相互作用的振荡。剪切层的火焰面振荡速度表明,低当量比下火焰在剪切层附近的振荡更为剧烈,平均的振荡速度接近高当量比工况的2倍。     

火箭冲压组合动力研究进展

对国内外火箭冲压组合动力(RBCC)研究现状与发展路线进行了总结，阐述了各国主要研究计划和取得的重要成果。系统地总结了西北工业大学航天学院在火箭冲压组合动力的研究进展和研究成果，经过近二十年的发展，完成了从发动机理论分析与原理验证、部件设计与试验到小尺度发动机地面集成验证，初步突破和掌握了宽域全流道设计、宽来流高效燃烧与火焰稳定以及模态过渡等多项关键技术，具备了开展飞行演示验证的基础。     

采用多级主火箭的RBCC发动机性能分析(英文)

采用三维两相数值模拟技术研究火箭基组合推进(RBCC)发动机的燃烧。提出了一种新的主火箭布置方式,该方式采用多级主火箭,一级嵌入到支板之中,另一级置于燃烧室中部上壁面。研究表明,相对于常规的主火箭布局,多级主火箭布局能明显提升发动机性能。置于支板的一级火箭以恰当比工作,起到引射和改善进气道工作特性的作用;二级火箭以富燃状态工作,起到火焰稳定和促进燃烧的作用。多级火箭喷射方案是DAB和SMC模式的综合,可作为火箭引射模态改善二次燃烧一种新的方式。     

RBCC亚燃模态点火及火焰稳定研究(英文)

在直联式燃烧试验台上进行了基于机械壅塞的RBCC亚燃模态点火及火焰稳定研究,试验模拟飞行马赫数为2.5,采用扩张型双模态燃烧室和多级JP-10喷注方式。在主火箭工作的情况下,借助发动机出口机械壅塞的方式实现了点火和火焰稳定。同时发现火焰稳定与乙烯引导火焰无关,出口堵塞比是燃烧室压力提升的一个重要影响因素。研究工作为实现基于热力喉道的RBCC亚燃模态稳定高效燃烧提供了良好的基础。     

火箭推力室喷管内激波对RBCC性能影响分析

针对火箭基组合循环（RBCC）动力系统引射火箭喷管的工作状况,采用准一维方法,假设引射模态火箭推力室喷管内在某些条件下产生的激波为正激波,分析了正激波的存在条件及其对RBCC动力系统性能的影响.结果表明：引射火箭推力室室压越低或飞行器飞行马赫数越高,引射火箭喷管内越易产生正激波;火箭喷管正激波的产生对RBCC动力系统引射性能及比冲特性有一定影响.     

Calculation of ignition and combustion of a hydrogen jet in air with finite chemical reaction rates

A comparison between two analytical models of a free turbulent mixing of reacting streams with finite chemical reaction rates is presented and the results of calculations compared with experimental data. The substance is a mixture of the inert non-dissociated nitrogen and oxygen that dissociates and reacts with hydrogen.For the first model the local values of flow parameters along the streamlines were provided by the numerical solution of the conservation equations in the boundary layer form for a multicomponent mixture of perfect gases in the von Mises coordinate system. In the course of this analysis the problem was treated by dividing the flowfield into a large number of regions and by solving the Cauchy problem of the conservation equations for each region.The second analytical model was based on the ignition delay to describe the chemistry in the region of pre-ignition. The external air stream was heated by combustion and the influence of the water vapor and the intermediate species on the reaction kinetics in the mixing zone was numerically investigated.The results of calculation are compared with the experimental data with respect to the location of a visible flame edge under combustion of hydrogen jet in the co-current flow.     

RBCC发动机火箭推力增益之探讨

为提高火箭基冲压组合循环(RBCC)发动机火箭冲压模态下火箭推力增益,基于模拟飞行Ma=4来流条件的数值计算结果,分析了火箭射流与冲压主流超/超剪切流动的特性,探讨了火箭推力增益的组成,并给出了提高火箭推力增益的措施:1)冲压流道、火箭工作参数的选取必须确保两股超声速剪切流之间的流动匹配,在有限空间内快速、低损的实现高能火箭射流与低能冲压主流间的动量及质量输运,最大限度地提高发动机喷管排气速度及压力;2)采用高室压火箭,通过增加推力室室压,提高火箭燃气膨胀程度,减小火箭推力增益损失。     

基于RBCC的天地往返运载器动力方案研究

基于火箭基组合循环发动机(RBCC)的结构组成、工作过程和特点,结合某吸气式重复使用天地往返运载器所提出的动力需求,分析了采用RBCC组合循环发动机作为该运载器动力方案的可行性和动力系统指标,设计并计算了RBCC组合循环发动机在各个工作模态下的性能参数.针对相同的运载器使用要求,采用相同的总体和气动力参数,通过飞行弹道仿真,计算和比较了采用RBCC发动机和纯火箭发动机两种动力方案的天地往返运载器方案.研究结果表明,相对于纯火箭动力,采用RBCC动力能明显减小运载器的燃料消耗,并增大其航程.     

Equivalence ratio and constriction effects on RBCC thrust augmentation

A theoretical analysis of a variable area rocket based combined cycle engine with and without simultaneous mixing and combustion is presented. The flowfield is solved using a steady, quasi-one-dimensional, inviscid control volume formulation with combustion effects included via a generalized equilibrium calculation. Compression augmentation is shown to be sensitive to the equivalence ratio within the primary rocket chamber, where ejector section performance is greatest at both low and high equivalence ratios but near a minimum at stoichiometric conditions. The thrust generated by the RBCC engine compared to that generated by the same rocket in isolation can be increased by as much as 12% at constriction ratios of between 45% and 50%. Thrust augmentation is also shown to vary with equivalence ratio, where for a fixed geometry the maximum thrust is generated at equivalence ratios slightly below unity.     

低速条件下引射火箭实验研究

开展了火箭基组合循环推进在引射阶段的实验系统设计，实验系统包括以支板为特征结构形式的引射火箭试验发动机，自由射流气路系统，燃料喷注系统和压强推力数据采集系统，以固体火箭发动机作为燃气发生器，成功地进行了静态海平面零马赫状态下引射模态实验，获得了相关实验数据，同时，对相应的几何结构做了数值模拟，数值计算结果与实验结果基本吻合。