液氢/液氧火箭发动机燃烧过程二维数值模拟分析

本文应用数值模拟方法对液氢/液氧火箭发动机燃烧过程进行了计算,给出了发动机燃烧室内燃气参数分布。计算中通过随机喷雾模型确定液氧滴进入燃烧室的初始条件,应用高压蒸发模型计算液氧蒸发速率及Arrhenius公式计算氢氧气相化学反应速率。贴体网格由TTM方法生成,数值方法采用一步隐式预测、两步显式校正的PISO算法,控制方程在非交错网格下离散并且对流项采用了二阶迎风格式。      

国外高压液氧/烃发动机冷却技术发展趋向

本文综述了目前国外液氧/烃火箭发动机冷却方案的改进措施,并对将来先进的高压液氧/烃发动机冷却技术的发展动向作了分析比较.     

液氧/丙烷推力室试验研究

1987～1989年间进行的液氧/丙烷推力室试验研究内容主要涉及点火和启动、燃烧、传热等。目的在于探索液氧/丙烷推进剂的技术关键,为新型液氧/烃发动机论证提供必要依据。使用了两种结构状态的推力室。试验室压2.5～7.8MPa。推力8～25kN(真空)。通过试验,考核了液氧/丙烷推进剂的点火和燃烧性能,验证了丙烷再生冷却的可行性;并与四氧化二氮/偏二甲肼自燃推进剂、液氧/煤油推进剂的试验情况进行了比较。     

针栓式喷注器液氧/甲烷发动机燃烧特性数值仿真

为研究针栓式喷注器结构对液氧/甲烷发动机推力室燃烧性能的影响,采用非绝热稳态扩散火焰面模型,并考虑真实流体的物性,对针栓式喷注器液氧/甲烷发动机推力室的跨临界燃烧和流动进行数值模拟。结果表明,针栓式喷注器发动机在推力室头部区域形成两个回流区;在一定范围内,减小针栓式喷注器径向喷注通道尺寸和针阀直径,可以提高燃烧室压力和燃气温度,从而提高推力室的燃烧性能;对于针阀伸进燃烧室长度,为提高推力室的燃烧性能,同时考虑推力室头部的冷却问题,应取越程比在1附近。     

LRE模型燃烧室燃烧过程数值模拟

建立了任意斜交曲线坐标系下液体火箭发动机（ＬＲＥ）内部工作过程的气液两相湍流化学反应流模型。应用该模型对气氢液氧模型燃烧室内部燃烧过程进行了数值模拟，得到了全流场的速度分布图形、燃气组分等值线、流场等温线、流场等压线、流场等马赫数线、壁面温度与径向平均温度曲线和燃烧效率曲线。计算结果表明：用数值模拟方法分析ＬＲＥ内部工作过程是可行的。     

预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟 (Ⅰ)计算模型和方法

对液氧－煤油液体火箭发动机的预燃室进行三维维湍流流动与燃烧过程的数值模拟，流动采用圆柱坐标系中的三维N－S方程组，并用k-ε双方程测流模型闭合，用同位网格和SIMPLE算法求解，源项进行线性化处理以便于收敛；离散后的方程采用SIP法求解；燃烧采用单频快速不可逆化学反应，喷注单元和预燃室头部的喷雾可以考虑液滴颗轨道模型（PSIC），针对液氧－煤油液体火箭发动机的预燃室建立耦合计算软件，通过考核算例获得燃气流场，组合浓度场和温度场的合理分布。     

推力室中压力剧烈振荡区域的燃烧特性分析

在不施加任何扰动的情况下,对液氧/煤油双组元液体火箭发动机模型燃烧室进行三维非稳态数值模拟,获得了其中的压力自激振荡现象。基于定义的能够辨识定容和定压燃烧特征的第三邓克尔数分析了压力剧烈振荡区域的燃烧特性。结果表明,在压力剧烈振荡区域内,第三邓克尔数取值很大,即发生了准定容燃烧或介于定容和定压之间的燃烧过程。可见尽管液体火箭发动机燃烧室整体表现为定压燃烧特性,但在头部附近区域出现了局部具有非定压特性的燃烧过程,其产生的压力膨胀波来不及迅速传播而使当地的压力迅速升高,形成了定容弹效应,从而导致了燃烧不稳定性的发生。该压力峰的传播及其与室壁相互作用在燃烧室中产生声学不稳定性,与研究燃烧不稳定性的定容弹试验机理相同。     

三组元发动机燃烧稳定性试验

设计了气氢／液氧／煤油三组元双工况模型发动机，对不同燃烧室压力、燃料比例，喷注器的结构，燃烧室长度，混合比条件下的高频燃烧稳定性进行了试验，试验中观察到低频和高频自激燃烧不稳定，有限的试验表明，较大的缩进比和较小的旋流数有利于燃烧稳定，提高燃料中氢气的比例＞10％时，有利于燃烧稳定；但氢气对烃氧燃烧稳定性的提高不是绝对的，氢气在燃料中的比例达39％时，燃烧室内仍存在压力为0．13MPa的压力脉动。     

三组元推进剂燃烧试验分析

三组元火箭发动机是近几年提出的新概念.本文介绍了三组元推进剂燃烧试验及其结果分析.试验用液氧/丙烷/氢做推进剂在9.78MPa燃烧室压力下完成.试验结果表明,三组元推进剂和三组元发动机概念可行.     

镁基水冲压发动机三维两相反应流场研究

建立了镁基金属燃料/水冲压发动机三维两相反应流动模型,提出了采用燃烧效率修正一次燃烧温度的方法,对某试验发动机理想和实际工作状态进行了数值模拟,得到了发动机内流场分布趋势,并对计算与试验结果进行了对比,分析了产生误差的原因。结果表明修正燃烧温度后模型更能反映发动机实际工作状态及内流场分布,雾化效果和发动机热损失是影响发动机性能的重要因素,实际工作过程中由于存在凝相金属镁使计算燃烧效率大于试验燃烧效率。     

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

MMH/NTO火箭发动机燃烧动态稳定性数值评定

应用脉冲枪不稳定燃烧模型对有／无声腔的MMH／NTO火箭发动机的燃烧稳定性进行了数值模拟,比较了3台MMH／NTO发动机的燃烧动态稳定性,计算与发动机的试车结果一致。     

液体火箭发动机燃烧室工作过程仿真软件──CAFILRE的设计与实现

描述了液体火箭发动机燃烧室内喷雾燃烧与流动过程仿真软件CAFILRE(Combus-tion and Flow in Liquid Rocket Engine）的结构和功能。CAFILRE程序是采用模块化方法编制和发展的二维通用软件，具有模拟发动机燃烧室内推进剂雾化过程、液雾蒸发过程、湍流混合与燃烧过程的能力。用此软件可以对发动机内部进行详细的性能分析和参数优化。     

Numerical analysis of regenerative cooling in liquid propellant rocket engines

High combustion temperatures and long operation durations require the use of cooling techniques in liquid propellant rocket engines (LPRE). For high-pressure and high-thrust rocket engines, regenerative cooling is the most preferred cooling method. Traditionally, approximately square cross sectional cooling channels have been used. However, recent studies have shown that by increasing the coolant channel height-to-width aspect ratio and changing the cross sectional area in non-critical regions for heat flux, the rocket combustion chamber gas-side wall temperature can be reduced significantly without an increase in the coolant pressure drop. In this study, the regenerative cooling of a liquid propellant rocket engine has been numerically simulated. The engine has been modeled to operate on a LOX/kerosene mixture at a chamber pressure of 60 bar with 300 kN thrust and kerosene is considered as the coolant. A numerical investigation was performed to determine the effect of different aspect ratio and number of cooling channels on gas-side wall and coolant temperatures and pressure drop in cooling channels.     

Damage localization effects of the regeneratively-cooled thrust chamber wall in LOX/methane rocket engines

To investigate the damage localization effects of the thrust chamber wall caused by combustions in LOX/methane rocket engines, a fluid-structural coupling computational methodology with a multi-channel model is developed to obtain 3-demensioanl thermal and structural responses. Heat and mechanical loads are calculated by a validated finite volume fluid-thermal coupling numerical method considering non-premixed combustion processes of propellants. The methodology is subsequently performed on an LOX/methane thrust chamber under cyclic operation. Results show that the heat loads of the thrust chamber wall are apparently non-uniform in the circumferential direction. There are noticeable disparities between different cooling channels in terms of temperature and strain distributions at the end of the hot run phase, which in turn leads to different temperature ranges, strain ranges, and residual strains during one cycle. With the work cycle proceeding, the circumferential localization effect of the residual strain would be significantly enhanced. A post-processing damage analysis reveals that the low-cycle fatigue damage accumulated in each cycle is almost unchanged, while the quasi static damage accumulated in a considered cycle declines until stabilized after several cycles. The maximum discrepancy of the predicted lives between different cooling channels is about 30%.     

燃烧时滞对小推力高室压动力系统响应特性的影响

对小推力高压燃烧室动力系统各部件建立了数学模型,并对此系统进行了数值计算,分析了燃烧时滞对此系统的影响。计算结果表明,在燃烧时滞较大时,高室压动力系统响应较慢,发动机性能参数的超调量较大,达到稳态所需的时间较长,轨控发动机与姿控发动机共用同一个供应系统,姿控发动机受燃烧时滞的影响更大。      

补燃循环发动机强迫起动过程

以补燃循环液氧煤油发动机系统为研究对象,对其强迫起动特性进行了研究.建立了描述补燃循环发动机瞬变过程的数学模型,提出了求解推进剂供应管路瞬变流控制方程的Chebyshev伪谱方法.采用新的面向对象仿真语言Modelica,建立了可扩展的发动机仿真模型库,在MWorks平台上,利用模型库搭建了补燃循环液氧煤油发动机仿真模型.对发动机强迫起动过程进行了仿真计算,计算结果与试车数据基本相符,其中稳态相对误差小于4%,动态相对误差小于10%,初步验证了模型的正确性.进一步分析了火药起动器工作时间、阀门打开时序等因素对发动机起动过程的影响.结果表明,为保证该发动机可靠起动,发生器点火应在氧化剂头腔充填完成后,火药起动器工作时间应持续到发生器点火.      

50吨级氢氧火箭发动机的设计与研制

系统性地回顾了长征五号运载火箭芯一级50t级氢氧火箭发动机YF-77的设计与研制历程。通过分析氢氧发动机的特点以及国内外氢氧发动机的发展现状，阐述了国内新一代运载火箭研发的技术路线和50t级氢氧火箭发动机的研制背景；对50t级氢氧火箭发动机的总体技术方案及其特点进行了分析与总结，并在此基础上对发动机主要组件的技术方案及其特点开展分析；对发动机热试车情况、可靠性验证情况和故障排除情况进行了分析；对50t级氢氧火箭发动机的研制情况、技术特点进行了总结，并对国内氢氧发动机和液氧/甲烷发动机的发展进行了展望。     

液体火箭发动机燃烧不稳定性分析模型

通过一个简化的物理模型，运用计算流体动力学分析方法，研究了液体火箭发动机的不稳定燃烧现象，验证了该模型及分析方法的简捷和有效性。描述发动机燃烧室内气相流动过程的控制方程是非稳态准一维欧拉方程组，液相则用拉格朗日方法描述，方程组中的源项反映了气液两相耦合及液雾蒸发燃烧的影响。针对不稳定燃烧的机理，考察了压力脉动随着时间的推进对声学扰动的敏感性。计算格式采用两步积分的预测校正法进行选代求解。