涡轮增压固体冲压发动机补燃室燃烧数值模拟研究

提出了涡轮增压固体冲压发动机补燃室三股气流燃烧数值模拟的方法。分别采用Standard k-ε、k-εRNG、k-ωSST湍流模型,结合三维N-S方程、颗粒轨道模型、King硼粒子点火模型、硼粒子燃烧模型建立TSPR发动机补燃室三维两相流动燃烧模型。首先,利用本文模型进行冷流掺混分析,确定了试验发动机构型并进行燃烧试验,三股气流形成了稳定燃烧;然后,将数值计算得到的补燃室压强、特征速度、燃烧效率与实验结果进行对比分析,并进行了计算模型可信性分析;文中综合湍流模型对TSPR补燃室燃烧情况模拟的影响,得出硼颗粒模型是进一步提高含硼三股气流模拟精度的主要原因。说明本文采用的模型以及与之相匹配使用的方法适用于TSPR发动机补燃室燃烧情况的分析。采用本文补燃室结构进行试验,有无硼成分的试验燃烧效率分别达到82.1%和88.8%,数值模拟结果显示,还应进一步改进补燃室结构,以降低总压损失,促进补燃室壁面附近的空气参与燃烧,并提高硼粒子燃烧效率。     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

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,然而在超音速空气流的补燃室中,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。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

碳粉燃料在火箭冲压发动机补燃室内燃烧特性的分析

采用概率密度函数(PDF)及确定轨道模型数值模拟一种环向进气的固体火箭冲压发动机补燃室气固两相流的掺混燃烧,考虑固体颗粒直径大小和补燃室长度对燃烧效率的影响。结果表明:增大固体颗粒直径,燃料的燃烧效率明显减小;增大补燃室长度,燃料的燃烧效率增大。     

硼粒子的点火及燃烧特性

介绍了硼的物理化学特性和燃烧机理，硼的点火延迟期长、燃烧效率低是由其本身的特性所决定的。改善硼的点火及燃烧特性可以通过控制其粒度，表面包覆、添加低燃点金属等途径来实现。采用ＧＡＰ包覆硼粒吃可以显著降低硼粒子的点火时间，提高了燃烧效率。     

补燃室结构对固冲发动机二次燃烧影响试验研究

为了研究含硼推进剂固冲发动机补燃室结构对二次燃烧点火特性和稳态燃烧性能的影响,选择头部距离、补燃室长度和空气入射角度作为结构设计参数,设计了模块化固冲发动机地面试验装置。基于正交试验原理安排试验方案,并开展地面直连试验。试验结果的极差分析表明,结构因素对二次燃烧点火延迟时间影响由强到弱依次为补燃室长度>空气入射角度>头部距离,对二次燃烧效率影响由强到弱依次为头部距离>补燃室长度>空气入射角度。方差分析表明,补燃室结构因素对点火延迟影响不显著,头部距离对二次燃烧效率影响作用较显著,其他因素对燃烧效率影响作用有限。     

硼粒子包覆工艺及对硼的表面和燃烧特性的影响

介绍了用ＧＡＰ，ＴＤＩ，ＡＰ，ＴＭＰ，ＬｉＦ，Ｖｉｔｏｎ Ａ硅烷，碳化硼，钛等物质包覆硼粒子的工艺过程，论述了其包覆机理对硼粒表面及点火燃烧特性的影响。表明，在提高硼粒子燃烧效率及改善硼与推进剂体系的相容性方面，硼粒子包覆是最有效的途径；包覆硼粒子可以显著提高含硼推进剂的性能。     

燃气喷射方式对固体火箭超燃冲压发动机性能的影响

利用数值模拟方法研究了不同喷孔参数对固体火箭超燃冲压发动机补燃室性能的影响。采用基于密度的二阶迎风格式对补燃室掺混燃烧过程进行模拟,湍流模型和燃烧模型分别采用SST k-ω模型和涡团耗散模型。计算结果表明,喷孔数量、喷射角度θ以及喷孔分布半径r对补燃室的掺混燃烧性能均存在明显影响;其中,喷射角度θ对补燃室掺混燃烧性能的影响最大;存在最佳的喷孔数量使得燃烧效率最大;随着喷射角度θ与喷孔的分布半径r的增加,燃烧效率逐渐增加,但总压恢复系数逐渐减小。     

热空气中硼粒子燃烧分析

针对硼粒子在热空气中的燃烧,以Mohan G和Williams F A提出的燃烧模型为基础.对较大粒径(d>35 μm)采用扩散燃烧火焰模型.对较小粒径(d<35μm)采用扩散和化学动力学控制模型,应用数学分析方法,研究了硼粒子燃烧规律,得出了热空气中硼粒子半径随时间的变化规律,分析了压强、温度等参数对硼粒子燃烧的影响...     

固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究

硼颗粒在通过固体火箭冲压发动机的燃气发生器喷管进入补燃室的过程中,颗粒通常都会受到高速气流的作用。此时,静止条件下硼颗粒的燃烧模型不再适应。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧的二维问题建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的显示表达式,并进行了求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。     

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。     

含硼富燃料推进剂一次燃烧喷射效率影响因素分析

通过燃气发生器法测试含硼富燃料推进剂一次燃烧喷射效率,分析推进剂组分和喷射装置对一次燃烧喷射效率的影响。研究认为推进剂组分调整中,有利于提高推进剂燃速和一次燃烧温度的因素,基本上有利于提高一次燃烧喷射效率;当硼含量为30%时,通过调整推进剂配方,选用非壅塞喷射装置,一次燃烧喷射效率可达97%。     

氧化剂和团聚硼粒度对富燃料推进剂燃速特性的影响

考察了细AP和团聚硼含量对含硼富燃料推进剂燃速特性的影响.结果表明,随细AP含量和团聚硼含量的增大,推进剂燃速增加,燃速压强指数也呈增加趋势.同时,以BDP模型为基础,将硼粒度对推进剂燃速特性的影响引入燃速表达式,表达式表明细AP和团聚硼有利于提高氧化剂的燃烧表面积在燃面上的比例,从而有利于提高推进剂的燃速.     

硼粉的包覆及含包覆硼推进剂燃烧残渣成分分析

采用多种包覆剂对硼粉颗粒表面进行包覆,利用透射电镜、酸度计研究各种包覆剂对包覆硼粉的影响,采用化学分析法对含包覆硼推进剂的燃烧残渣成分进行了分析。结果表明,经包覆剂包覆后,在硼粉的表面形成了一层包覆层;包覆后硼粉加水悬浊液体系的pH值明显增大,并适合于含硼富燃料推进剂的制药工艺;包覆后硼粉的燃烧效率明显提高。     

空间外差光谱技术应用于硼燃烧效率测量探索研究

提出了一种基于空间外差干涉和光谱分析技术的非接触、远程实时测量方法,用于硼粒子的燃烧效率检测.该方法以空间外差光谱仪为主体,结合光栅旋转对辐射谱进行测量.含硼推进剂药片经激光点火后,通过该方法记录燃气辐射光谱,实现对含硼推进剂中硼燃烧效率测量.实验结果表明,燃烧器内氧气含量显著影响硼的燃烧效率;当燃烧器内压强为0.5 ...     

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。     

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。