液体火箭发动机高频燃烧不稳定性预测

本文描述了一种预测液体火箭发动机非线性燃烧不稳定性的数值方法,重点研究非线性燃烧不稳定性的各种现象,包括瞬态的、有限周期压力振荡、稳定和非稳定工况下声学振荡对推进剂液滴雾化和燃烧过程的影响、燃烧过程中的振荡流场、燃料液滴的轨迹、设计参数如入口条件、雾化初始条件和隔板长度等的影响。对几种工况和各种燃烧参数的计算表明该数值方法能成功地预测液体火箭发动机切向燃烧不稳定性。隔板长度及液滴尺寸对发动机的稳定性有明显的影响,数值结果表明隔板能有效抑制压力振荡。     

液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

针对液氧煤油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性这一突出问题,建立了喷注单元的低压高频燃烧不稳定性模拟试验系统,使用气气推进剂。利用相似准则设计了缩比燃烧室,研究了全尺寸气液同轴式喷注器的结构尺寸和工作参数对燃烧稳定性的影响。结果表明,激发高频燃烧不稳定性时火焰变短,燃烧室压力出现大幅振荡并伴随啸叫;喷注器缩进室长度对燃烧稳定性裕量有很大影响并存在相对最佳值。试验结果可以指导发动机燃烧室的燃烧稳定性设计和评估,在发动机研制初期筛选燃烧稳定性相对最好的喷注器结构。     

推进剂喷注器动态特性对燃烧稳定性及效率的影响

本论文对推进剂喷注器动态特性及高能燃烧室中喷注器不稳定工作对燃烧稳定性和效率影响的研究结果进行了综合评述。已经发现,燃烧室中的工作过程随喷注器幅频和相频特性变化的响应可以作为认识不稳定机理的判断依据。利用改变喷注器动态特性而不改变喷注和混合过程稳定因素的方法,已逐步发展了一些获得稳定性的计算方法。充分的研究表明,自激的或诱发的喷注器不稳定工作都可导致雾化和混合过程的充分变化,并能提供一个更均匀、可燃烧的混合物,同时也延长了燃烧区。     

单股自由圆射流撞壁雾化实验

利用直流撞击式喷注器组织燃烧的发动机推力室喉部材料耐温极限制约了发动机燃烧效率提升,一种新型高性能直流冷壁式喷注器可以解决这一问题,为了指导这种新型喷注器的设计,从射流撞击雾化实验出发,探索了圆射流撞壁雾化规律。采用高速摄影捕获溅射雾化场整体形态,利用收集法测量溅射雾化率,选用PDA和PIV分别测量溅射液滴粒径及速度矢量。研究结果表明:射流撞壁后存在溅射,溅射液滴局部呈现螺旋状,液滴粒径为几十微米量级,溅射雾化率随撞击距离的变化规律可分为4个典型阶段:初始段、发展段、稳定段、衰减段,湍流动能为溅射雾化率的决定因素。     

增强大推力火箭发动机燃烧稳定性裕度的方法

针对重型运载大推力液体火箭发动机自发激励高频燃烧不稳定性的技术风险,总结和分析了影响大推力液氧煤油火箭发动机燃烧稳定性裕度的因素,主要包括燃烧室声学固有频率、燃烧室结构和喷嘴几何结构。结果表明:发动机喷注器附近的推进剂燃烧区、燃烧室收敛段对燃烧室声学固有频率有较大影响;燃烧室长度为燃烧室直径的0.205倍或0.205的奇数倍时有相对最好的燃烧稳定性;气液同轴式喷嘴长度为燃烧室一阶切向振荡频率的0.5倍时,能传递最大的振荡能量。最后,提出了一种增强燃烧稳定性裕度、避免出现切向振型高频燃烧不稳定性的燃烧室设计方法。     

变推力液体火箭发动机中针栓喷注器研究综述

为总结变推力液体火箭发动机中针栓喷注器的研究成果和梳理未来的发展方向，本文综述了该领域的研究进展。首先介绍了针栓喷注器的基本概念和研究意义，然后从设计原理、工程研制、雾化特性和燃烧特性等方面介绍了针栓喷注器的研究历史和现状，最后展望了针栓喷注器的发展趋势及需要研究的一些科学问题。分析表明，液液针栓喷注器、气液针栓喷注器的雾化特性和燃烧特性都还需持续开展研究。雾化特性中特别需要关注的是雾化角、混合特性和下漏率，还要探索针栓喷注器在反压下的雾化特性。燃烧特性中需要深入研究温度分布、火焰结构和燃烧稳定性。     

直流式喷注器设计

参阅国外文献并利用国内研究试验结果,论述了直流式喷注器的基本型式,给出了设计方法,包括喷嘴排列设计、排列计算。从喷注器设计的角度出发,提出了解决燃烧性能、燃烧不稳定性和冷却问题的途径;叙述了喷注器的制造工艺过程及加工方法。     

隔板喷嘴排列方式对推力室燃烧流场影响研究

针对液氧煤油液体火箭发动机,采用全尺寸六分之一网格,设置周期性边界条件的简化模型,计算得到了喷注器面径向隔板喷嘴交错排列时推力室内三维非稳态两相湍流燃烧流场分布,与全尺寸网格计算结果基本一致,验证了算法与简化模型的有效性,并与喷注器面径向隔板喷嘴直线排列时推力室燃烧流场计算结果进行了对比.结果表明,采用全尺寸六分之一网格,也可较好地数值模拟推力室内燃烧流场;径向隔板喷嘴交错排列,不但有利于延长煤油和氧气的混合时间,使混合更加充分,提高燃烧效率和燃烧室压力,而且可增加喷嘴空间分布的均匀性,使燃烧室中雾化粒子分布更均匀,从而提高温度分布的均匀性.     

氢氧火箭发动机喷雾演化过程作用机理

高压超临界喷雾演化过程作用机理是氢氧火箭发动机燃烧不稳定性机理分析、提高燃烧 效率研究的基础。为探讨高压条件下液氧喷雾演化过程的主要作用因素,引入气液同轴喷嘴 雾化模型和高压蒸发模型,考虑超临界条件下液氧／气氢气液平衡及其物理属性,对氢氧火 箭发动机单喷嘴工况条件下喷雾燃烧过程进行了一体化三维数值仿真,得到了液氧喷雾液滴 分布和燃烧流场参数,综合分析了液氧液滴蒸发率、氢氧化学反应率、混合燃气涡量分布与 液氧喷雾尺寸、数量的变化规律,提出了液氧喷雾演化过程六个作用因素不同的阶段。
     

射流撞击雾化液滴运动过程与粒径分布特性的试验研究

在大气环境下,以水为介质,采用PDPA和高速动态分析系统,针对直流撞击式喷注单元的雾场结构进行试验研究,获得了雾化液滴速度分布、粒径分布等试验参数。从液滴运动及液滴大小分布的角度针对撞击雾化液膜破碎成液滴的过程进行了分析,发现水平面上雾化液滴的径向速度以原点为中心对称,且随离原点距离增大而增大;初始雾化阶段的粒径大小分布则与径向速度分布相反。分析认为是液膜运动过程赋予了雾化液滴的初始速度,并影响了初始雾化液滴的分布特性。     

超声速燃烧不稳定性研究进展

对超声速燃烧不稳定性这一新兴领域的研究进行了综合评述，并对未来研究进行了展望。首先分析了超声速燃烧不稳定性现象的基本特性及其影响因素；随后讨论了超声速燃烧不稳定性的多种机理；接着概括了基于上述机理的超声速燃烧不稳定性建模；最后对超声速燃烧不稳定性还需重点研究的方向给出建议。综述表明，超声速燃烧不稳定性的现象、机理和建模都还需持续开展研究，特别需要关注的是燃烧室构型布局和燃料喷注方式对超燃冲压发动机燃烧不稳定性现象的影响，在超声速混合层和射流等典型流动中更深入探索超声速燃烧不稳定性机理，基于超声速燃烧系统的湍流时空演化特性进一步发展超声速燃烧不稳定性模型。     

RP-1/GO_2/GH_2三组元推进剂的燃烧性能

本文采用试验方法评估了火箭发动机燃烧室内 RP—1/GO_2燃烧时喷入气氢所产生的燃烧性能和稳定性。三组元、涡流同轴式单喷注单元安装在25.4mm 的六角形横截面的散热燃烧室内。模块化的喷注器能够控制动量比及随后的推进剂雾化和混合。在不同的混合比、喷射速度和室压下,完成了84次试验,其中部分试验加入了总燃料质量的10%的氢。记录了燃烧性能(C)、燃烧效率(ηc)和高频动态室压。在 RP—/O_2燃烧场中喷入10%的氢可以提高效率、改善稳定性并降低固态碳,火箭燃烧室热点火试验结果表明,在类似的工况下燃烧效率平均从92%增加到97%,燃烧室内的高频压力测量指出声学强度显著下降,总声学功率降低了9倍,在燃烧室一阶纵向频率处平均功率谱密度(PSD)从1.10降至0.15(psi—rms~2/Hz)。除了这些结果以外,加入氢后,积累在室壁上和排气羽流中的固态碳大大减少。这些结果与喷注器类型、氢的喷注位置和喷注动量的关系表明,加入氢将使 RP—/O_2的喷注动力学过程发生变化。     

针栓式液氧/煤油发动机燃烧数值仿真

为了研究低温非自燃推进剂应用针栓式喷注器的流场分布规律,总结不同动量比对针栓式发动机燃烧流场的影响,采用数值仿真的方法研究针栓式液氧/煤油发动机的燃烧流场分布,仿真模型采用k-ε湍流模型、有限速率-涡耗散燃烧模型等。仿真结果表明:针栓式发动机在燃烧室内形成两个回流区,有利于燃烧室头部冷却;针栓式喷注器能够在燃烧室壁面形成液膜,提高了燃烧室壁面的热防护;随着动量比增加,燃烧高温区向燃烧室壁面靠近;动量比为1时,针栓式喷注器具有最佳的燃烧效率。     

液体火箭发动机针栓喷注器雾化燃烧技术研究进展

针栓喷注器具有结构简单、可靠性高、燃烧稳定,可实现深度节流、面关机、机构可按比例缩放、成本低等显著优点,以其为基础的推力调节技术是一种实现液体火箭发动机变推力方案的有效途径,得到了广泛的应用。基于国内外针栓喷注器及针栓式发动机技术的发展现状和应用实例,着重从喷注器雾化性能和发动机燃烧流动问题2个方面进行了分析,在此基础上提出了对喷注器及发动机技术研究方向和研究重点的建议。     

同轴剪切喷嘴高频喷注耦合燃烧不稳定分析

同轴剪切喷嘴在大推力氢氧发动机及液氧甲烷发动机上得到了广泛的应用,研究表明,当同轴剪切式喷嘴的中心氧喷嘴喷注过程与燃烧室的声学振荡发生耦合时,容易发生高频喷注耦合燃烧不稳定。高频喷注耦合燃烧不稳定一般无法通过隔板、声腔等传统燃烧稳定装置解决,需要在设计喷注器时采取相应措施。通过求解喷嘴导纳得到了喷嘴的固有声学频率,并与冷态声学试验结果和缩比喷注器热试结果进行了对比,表明吻合较好。研究了氧喷嘴长度、氧喷孔环直径、氧喷前温度和氧喷前压力等因素对氧喷嘴声学频率的影响,结果表明:增大氧喷孔环直径、提高氧喷前压力以及减小氧喷嘴长度、降低氧喷前温度可以提高氧喷嘴声学频率。     

液氧甲烷单喷嘴燃烧性能数值仿真研究

为了研究液氧甲烷同轴剪切式喷注器结构参数变化对燃烧性能的影响,以单喷嘴为物理模型进行了燃烧数值仿真.研究表明：适当增加氧喷嘴出口壁厚和增加喷嘴个数均能提高喷注器燃烧效率,其中增加喷嘴个数对燃烧效率的影响更为显著.     

预燃室低频不稳定燃烧仿真研究

为弄清燃烧不稳定性激励机制,建立了氢氧预燃室低频燃烧稳定性分析数学模型,利用MATLAB/SIMULINK集成软件包搭建仿真平台,研究了与供应系统耦合的低频不稳定燃烧。结果表明:在各种不稳定激励因素中,氧的喷注压降对稳定性影响最为显著,当其值低于某一稳定边界时,出现极限环振荡,提高氧的喷注压降可以非常有效地抑制低频不稳定燃烧;当氧的喷注压降位于稳定边界附近时,混合比将对稳定性产生一定影响,降低混合比可以较好地抑制低频不稳定;氢的喷注压降对低频燃烧稳定性影响很小。     

用于PDPA校准的标准气溶胶发生器性能研究

喷注器、喷嘴是低温液体火箭动力系统的核心部件,其雾化特性对燃烧效率和燃烧稳定性有直接的影响。通过激光相位多普勒测量系统(Phase Doppler Particle Analyzer简称PDPA)可以获得不同设计参数下喷雾场的粒径分布等重要数据。标准气溶胶发生器是校准和测试激光相位多普勒测量系统的基准源,通过其产生的标准粒子可以调校和修正系统测量误差。结合液体火箭动力系统喷注器雾化测量特点和散射粒子特性,对比分析了几种典型粒子发生技术,最终选择振动孔式单分散粒子发生器作为PDPA系统校准的基准源,并提出了一种标准气溶胶发生器的分析评定方法,通过该方法分别获得了发生器的均匀性、球形度、精度和稳定性等技术性能指标,证明该型发生器在喷注器雾化光学测量校准应用中具有适应性和可靠性。     

深度节流补燃循环发动机系统稳定性研究

补燃循环发动机深度节流过程中,系统参数大范围变化,低工况时喷注器压降和供应系统节流元件压降较低,容易出现推进剂供应系统与热力组件耦合的不稳定问题。针对10∶1深度节流富氧补燃循环发动机,通过Nyquist稳定性分析方法,对发动机全工况范围内泵后供应系统和燃气系统耦合稳定性进行仿真研究。结果表明:富氧补燃循环发动机燃料供应路与燃气路形成的闭环系统在低工况时,稳定裕度较低,改善燃气发生器喷雾燃烧效果以缩短时滞、增加燃气停留时间、在靠近燃气发生器位置增加供应系统压降能提高系统稳定裕度。     

湍流、喷雾模型对氢氧火箭发动机燃烧仿真的影响

基于完善的压力隐式算子分裂(PISO)算法,通过改变κ-ε两方程湍流模型和喷雾模型,对氢氧火箭发动机不稳定燃烧进行数值仿真。比较理论分析和数值仿真的结果得出,在二维情况下,液滴碰撞模型和TAB液滴破碎模型不适于模拟氢氧火箭发动机不稳定燃烧;TVB液滴破碎模型与κ-ε两方程湍流模型的组合情况能够捕捉到燃烧室中的压力振荡,但不能体现出振荡频率;而采用Realizableκ-ε湍流模型不考虑液滴雾化模型时不但能够捕捉燃烧室内压力振荡情况,还能够很好地得出振荡频率的分布情况。