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。     

RBCC混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧性能影响研究

通过数值模拟发现,喷注位置前移有利于改善燃烧性能。为了更加细化探讨,在直连式实验台上进行了进一步的实验研究,研究了RBCC混合燃烧模式中燃料喷注位置对燃烧性能的影响。实验中,详细比较了相同实验条件、不同喷注位置条件下燃烧室压强及燃烧性能。实验发现,在燃烧室前端进行燃料喷注,有利于提高燃烧室压强,提高发动机比冲。可见,燃料提前喷注加强了燃料与火箭羽焰剪切层的掺混,且火箭羽焰对燃料的雾化蒸发效果更佳,使得燃料的燃烧性能得到更大提升,从而提高发动机性能。     

气氧／甲烷同轴剪切喷注器燃烧特性数值模拟

对以气氧／甲烷为推进剂的同轴剪切喷注器进行了数值模拟,研究了喷注器设计参数对推进剂掺混燃烧、燃烧室壁面和喷注面板热载的影响。研究结果表明：氧喷注速度增大不利于推进剂的掺混燃烧,降低了燃烧效率,增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载：动量比增大提高了推进剂的燃烧效率,缩短了燃烧距离,但增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载;中心氧喷嘴管壁厚和氧喷嘴管的缩进,对燃烧效率有影响,但两者对燃烧室壁面和喷注面板热载影响不明显;对燃烧效率而言,特定情况下氧喷嘴缩进存在一最佳值。     

带不同长度凹腔超声速燃烧数值研究

对带不同长深比凹腔的燃烧室三维燃烧流场进行数值模拟,研究了燃烧室流场结构。结果表明：液体碳氢燃料穿透深度较小;凹腔长深比对燃烧效率、总压损失影响较小,对燃烧室阻力影响显著。     

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。     

PMMA在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的数值模拟

为了解PMMA在固体燃料冲压发动机燃烧室内的燃烧特性,采用RNG κ-ε模型、涡耗散湍流燃烧模型和一阶迎风格式,对以PMMA为燃料的固体燃料冲压发动机燃烧室进行了数值模拟,得到了燃烧室内的流场结构、温度及组分分布.通过比较数值计算结果与国外试验数据,验证了该数值方法的可靠性.研究表明,随着轴向位置的增大,燃料局部退移速...     

乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合数值优化

为探索带交错尾部支板的超燃燃烧室流场特性,运用有限体积法对乙烯喷注当量比0.6的燃烧室进行了数值模拟。对比喷孔不同布置方式,支板尾部交错结构不同数目、不同翘角对混合效率、总压损失的影响。研究发现,喷孔数目越多,对燃料与空气充分混合越有利,但过多喷孔会降低穿透深度,且导致可燃混合区重叠,不利于掺混增强;交错结构数目越多,产生的流向涡涡量强度越大,但远场混合效率并不理想,当支板交错结构数目等于4时,在凹腔附近能取得较大掺混效率;在一定范围内,支板翘角越大,掺混效果越好,交错结构掠形尾部也有利于掺混增强,但均会导致更大的总压损失。     

双模态冲压发动机燃烧室流场数值模拟研究

在三维、粘性、湍流及有化学反应的Navier-Stokes方程基础上，通过有限化学反应速率／涡扩散模型模化湍流燃烧，对以H2为燃料的双模态冲压发动机燃烧室流场进行了研究，分析了空燃比、燃料入射角、飞行马赫数对燃烧室工作模态的影响，并分析了燃烧室隔离段的作用。     

N2O/C3H8发动机气液同轴离心式喷嘴喷雾性能数值模拟研究

采用数值计算方法对氧化亚氮/丙烷（N2O/C3H8）发动机样机气液同轴离心式喷嘴的喷雾性能进行了研究,得到了环缝外喷嘴气相喷注压降和内喷嘴缩进深度对离心式喷嘴喷雾流场的影响.分析结果表明,较低的气相喷注压降（＜0.3 MPa）会显著的影响液滴在流场中的蒸发速率以及流场流强、混合比、索太尔平均直径（SMD）和n值的分布;气相喷注压降从0.3 MPa增加至0.6 MPa,稳定喷雾流场液滴SMD和n值分别在2.41～1.68,2.03～0.98范围内变化并逐渐减小.内喷嘴缩进深度从0 mm增加至6 mm,稳定喷雾流场液滴的SMD和n值受其影响较小,均分别在1.70～0.94,2.36～0.99范围内波动.喷嘴的最佳燃烧区主要分布在下游轴向位置0.015～0.035m范围内并随着气相喷注压降的升高和内喷嘴缩进深度的增大逐渐靠近喷嘴出口.该设计喷嘴在发动机热试实验中表现出很好的性能.     

粉末火箭发动机燃烧室燃烧流动特性研究

选取颗粒轨道模型,对Al／AP粉末颗粒在粉末火箭发动机内流动和燃烧进行三维数值模拟,为以Al粉末燃料和AP粉末氧化剂作为推进剂的新型燃烧室的设计以及实验研究提供参考。文中提出了一种粉末火箭发动机构型,通过对发动机燃烧室进行冷态和热态数值模拟,研究了氧燃比、Al粉末颗粒大小、燃烧室体积等因素对粉末火箭发动机燃烧室燃烧性能的影响。结果表明,一定范围内氧燃比较高时,燃烧室温度反而较低;较小粉末颗粒在燃烧室内更易离散;Al颗粒粒径越小越易燃烧,Al燃烧率也越高;验证了在Al／AP粉末火箭发动机的设计中引入特征长度来匹配Al粉粒径与燃烧室体积的合理性。     

凹腔超声速燃烧室氢气燃烧流场数值模拟

对带长深比为10的凹腔结构的燃烧室二维氢燃烧流场进行数值模拟,燃料喷注方式采用凹腔上游喷注加辅加凹腔前壁、底壁、后壁喷注。采用三阶MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程组,湍流模型采用剪切修正的RNGk-ε湍流模型,对喷氢燃烧工况进行了计算研究,并分别分析了凹腔中不同燃料喷注方式对燃烧特性的影响。结果表明：凹腔是火焰驻留的主要区域;凹腔上游喷注氢,可以使燃料在凹腔中混合燃烧,辅加凹腔中喷氢的三种方式对燃烧状况产生一定的影响。在凹腔前壁、底面辅加喷氢,没有增强凹腔的稳焰特性,对整个燃烧状态影响不大;在凹腔后壁喷氢,能够增加凹腔中的燃料含量,加强了回流效果,对燃烧状态影响较大。三种喷注方式都没有从根本上改变凹腔燃烧流场的特性。     

壁面孔型对超声速气流中喷注特性的影响

超声速气流中,燃料与来流空气的高效混合是燃烧室实现点火、稳焰及高效燃烧组织的前提。国内外研究者已对比研究了不同壁面孔型对超声速气流中喷注、混合特性的影响,相比于最常见的圆形喷孔,菱形、楔形-半圆、箭形及针形等喷孔用于超声速气流燃料喷注时,不仅有利于降低喷孔前缘边界层的分离,而且也有利于提升射流穿透深度;相比于单孔喷注,组合型喷孔能进一步增强燃料与来流空气在射流远场的混合效果。通过综述各型喷孔的喷注特性,分析提出了适用于超声速燃烧组织的壁面喷注孔型及其工程应用条件。     

RBCC直扩燃烧室煤油喷雾燃烧火焰稳定与放热规律的数值模拟

扩张构型燃烧室的燃烧流动细节与放热规律是RBCC发动机设计中的核心技 术。采用湍流流动的分离涡（DES）计算方法,数值计算了RBCC燃烧室以凹腔作为火焰 稳定器的液态煤油喷雾燃烧三维两相流动。针对逐级扩张的RBCC燃烧室构型,详细研究了不 同来流状态下的喷雾燃烧流动特征以及液态煤油分级喷注的放热规律。研究表明,高来流总 温条件下,凹腔火焰稳定器可起到驻留火焰的作用,在相对较低来流总温条件下,凹腔并非 是实现火焰稳定的充分条件,必须采用其他方式补偿液态燃料蒸发吸热所损失的热量。考虑 到扩张构型的几何通道承受的压力提升范围有限,燃料喷注位置不宜安置在燃烧室上游流场 ;为了实现最大的燃烧效率以及发动机推力,采用前后级辅助喷注的方式是目前可行的解决 措施。     

Al/AP粉末发动机燃料喷射流场的数值研究

为研究Al/AP粉末发动机燃料输送方式对粉末分散及混合效果的影响,利用气相控制方程、湍流模型、欧拉模型,对金属粉末发动机粉末燃料喷射掺混过程进行了详细的数值模拟。数值计算结果表明:固相体积分数和喷射入口有无锥体结构对流场参数具有较大影响。随着Al/AP粉末入口固相质量分数增加,粉末混合区域由燃烧室尾部向燃烧室头部移动。入口处安装锥体有利于粉末在燃烧室内分散,燃烧室头部颗粒相质量分数增加,轴线上平均固相质量分数降低,喷管前粉末局部积聚现象消失。     

环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器研究

对环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器进行了理论分析和数值仿真计算。介绍了环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器热试车情况,试验燃烧室压力1～2 MPa,混合比7～9,获得了燃烧效率、点火性能、燃烧稳定性、喷嘴特性及混合比等重要参数。     

N_2O/HTPB固液发动机燃烧室结构对药柱燃面退移特性的数值模拟

针对采用N_2O/HTPB推进剂的某固液火箭发动机,分析研究燃烧室长径比、前燃室长度、补燃室长度以及喉径等结构参数对固体燃料热解表面燃面退移速率的影响。通过建立一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的数值计算方法,并经算例验证后,说明此数值模拟方法的合理性和正确性。因此,应用此数值模拟方法分别计算了燃烧室各结构参数对固体燃料热解表面退移速率的影响:药柱长径比对燃面退移速率影响较大,随着药柱内径的不断增大,退移速率逐渐减小;随着前燃室长度的增大,燃面退移速率也相应增加,但幅度较小;而补燃室长度以及喉径对退移速率基本无影响。适当增加补燃室长度,可增强氧化剂与燃料热解气体的掺混效果,从而提高燃烧效率。     

气氢/液氧同轴喷注器变工况燃烧流场相似性

为研究不同室压工况下气氢/液氧燃烧流场的相似性,设计了喷注器试验件,并采用数值仿真和热试验的方法对气氢/液氧喷注器的喷雾燃烧流场进行了研究。数值仿真选取试验件的1/6进行三维稳态计算,其中湍流模型采用SST k-ω模型、化学反应采用考虑氢氧6组分9步反应机理的涡耗散概念模型、液氧液滴采用离散相模型,共进行了2.8～9.8 MPa范围内8种典型工况的数值仿真。热试验采用气氢/液氧推进剂,进行了4.5 MPa、5.4 MPa和6.8 MPa这3种不同室压工况共4次挤压热试验,采用量热式水冷身部对燃烧室壁面热流进行了测量。仿真和试验结果表明：对于气氢/液氧同轴直流喷注器,在混合比、氢氧温度和喷注速度相同的情况下,当室压大于液氧临界压力时的燃烧流场具有相似性;而室压小于液氧临界压力时的燃烧流场与大于临界压力的燃烧流场结构存在差异。     

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。     

轴对称结构RBCC发动机超燃模态试验和数值模拟

为研究轴对称结构RBCC发动机超燃模态下的点火和燃烧性能,进行了地面直连试验。采用中心支板火箭与小支板组喷注相结合的方式作为点火和火焰稳定方式,并对燃料喷注方案进行了研究。试验与数值模拟结果表明,采用这种点火方式能实现轴对称结构RBCC发动机的可靠点火和稳定燃烧。二次燃料采取多级喷注的方式能充分利用流道中的氧气,实现较充分的燃烧,但应控制燃料喷注比例。双支板组的加入,能促进燃料与中心空气流的充分掺混,提升燃烧效率,获得较优的燃烧性能。     

气氢/液氧同轴喷注单元细节对燃烧特性的影响

为了研究气氢/液氧同轴直流式喷嘴的结构参数细节对燃烧特性的影响,对单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟.重点研究了氧喷嘴缩进深度、氧喷嘴出口壁厚和氢氧喷注速度比3个参数对燃烧效率和稳定性的影响规律.研究表明：上述喷嘴结构参数细节是影响气氢/液氧同轴直流式喷嘴燃烧特性的重要因素,其中适当提高氧喷嘴缩进深度或氢氧喷注速度比对燃烧效率有显著改善,而适当提高氧喷嘴出口壁厚对燃烧稳定性有显著改善.