稠密粒子流作用下三元乙丙绝热材料烧蚀性能分析

为研究稠密粒子流作用下三元乙丙绝热层材料TI117的烧蚀性能,采用基于地面模拟试验发动机完成了18发烧蚀试验。通过分析试验数据,认为针对TI117绝热材料存在一个粒子冲刷速度临界值vcri=28m/s,当粒子流速度小于vcri时,粒子流状态参数对绝热层炭化烧蚀影响较小,当粒子流速度大于vcri时绝热层烧蚀率随粒子冲刷速度的增加增幅较快,粒子冲刷角度的影响也显著。通过分析颗粒浓度、冲刷速度和角度等随烧蚀试验状态的变化规律,结合试验数据进行回归分析,给出了三元乙丙绝热材料TI117在两种冲刷状态下的烧蚀率工程预示模型。通过分析芳纶纤维铺设方向对TI117绝热层烧蚀的影响,认为两种铺设方向下烧蚀结果基本一致,严酷条件下芳纶纤维垂直铺设优于平行铺设。     

模拟过载条件下EPDM绝热层烧蚀实验

用一种粒子浓度、速度和角度可调的高过载模拟烧蚀发动机,开展过载条件下粒子冲刷对EPDM绝热层烧蚀特性影响的实验研究。实验结果表明:(1)存在一个临界速度,当冲刷速度低于临界速度时,粒子浓度,速度和角度对炭化烧蚀率影响较小,而当冲刷速度高于临界速度时,炭化烧蚀率随速度的增加而急剧增加,角度影响也较大。(2)弱冲刷条件下的炭化层表面平整,而粒子沉积条件下的炭化层表面附着有很多大粒径的粒子,炭化层结构也更加疏松,而强冲刷条件下,粒子由于速度较高而不易在炭化层表面沉积。(3)当低于临界速度冲刷时,炭化层的孔隙结构分布不均匀,存在致密/疏松分层结构,而高于临界速度冲刷时,炭化层结构则更为致密。(4)通过多元回归得到了炭化烧蚀率与粒子冲刷速度,浓度和角度的经验关系式。     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀率实验研究

根据固体火箭发动机内绝热层烧蚀环境,设计研制了一种绝热层烧蚀试验发动机。利用该发动机不仅可进行绝热材料配方筛选,而且通过调节压强、流速及冲刷角进行缩比发动机烧蚀模拟试验和各种烧蚀率影响因素分析。在大量实验研究的基础上,提出了一种能较精确测量绝热层烧蚀率的测试方法和实验评定方法。分析了发动机工作压力、流速、气流冲刷角、裂纹,脱粘、气孔、夹层及搭接缝对绝热层烧蚀率的影响。测试结果与实际发动机解剖数据有较好的一致性。     

高浓度颗粒冲刷条件下高硅氧酚醛烧蚀实验

利用高过载模拟烧蚀实验发动机，开展了高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料烧蚀机理的实验研究。研究表明：高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料的烧蚀比常规条件下要严重的多，其机理主要是高浓度颗粒流冲刷对炭化层具有强烈的剥蚀效应；相同条件下高硅氧酚醛材料抗颗粒流冲刷的性能明显比石棉酚醛模压材料差；增强绝热材料炭化层的致密性和韧性是提高绝热材料抗颗粒冲刷能力的有效途径。提出了建立高浓度颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀建模的思路，为高过载条件下热防护研究提供了理论基础。     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅱ)收缩管聚集法

发展了一种能开展高过载条件下绝热层烧蚀研究的模拟实验方法——收缩管聚集法，研制了收缩管聚集高过载模拟烧蚀实验装置。对实验装置及固体火箭发动机过载条件下的三维两相内流场开展了对比数值模拟，结果表明这种实验装置产生的高浓度粒子流与40g纵横向过载条件下发动机内形成的高浓度粒子流状态很接近，说明这种实验方法是可以模拟高过载条件下绝热层烧蚀环境的。利用这套实验装置开展了高浓度粒子流冲刷条件下绝热层烧蚀实验，对6种绝热材料开展的烧蚀实验表明：所有试件表面均被冲蚀出一个凹坑，说明粒子冲刷对绝热层烧蚀影响很大。凹坑最大烧蚀部位与数值模拟得到的粒子浓度最大部位基本吻合。     

颗粒冲刷条件下硅橡胶绝热材料烧蚀特性实验研究

为了研究颗粒冲刷条件下硅橡胶绝热材料的烧蚀规律和特性,采用一种颗粒冲刷状态可调的实验发动机,以添加有短切碳纤维和高硅氧玻璃纤维的硅橡胶为研究对象,开展了颗粒聚集浓度范围为34.5~75.3kg/m3,冲刷速度为9.4~35.9m/s,角度为19.3°~55.5°条件下的13次热试车实验,获得了颗粒冲刷状态参数和炭化烧蚀率之间的宏观影响规律,通过对试验后试件的宏观形貌和微观结构特征进行分析,初步探讨了硅橡胶绝热材料的烧蚀机理。研究结果表明:(1)和EPDM绝热材料的烧蚀规律和特性不同,实验条件下硅橡胶炭化层更厚且致密,硅橡胶材料的最大烧蚀率随颗粒聚集浓度变化较为敏感,当超过50kg/m3临界浓度值时,烧蚀率随浓度的增加而急剧增大。最大烧蚀率随颗粒冲刷速度增加而增大,并呈现出先急剧增加后缓慢增加的趋势;(2)在颗粒冲刷速度较低条件下,硅橡胶材料烧蚀率要高于EPDM的,在颗粒冲刷速度较高条件下,硅橡胶耐冲刷性能要略优于EPDM的;(3)硅橡胶的热分解温度区间约为623~989K,在烧蚀过程中,高硅氧纤维和硅橡胶分解产生的Si O2会渗透到炭化层骨架中,进一步和C反应形成Si C,从而使炭化层致密化,具备耐冲刷特性;(4)通过分析烧蚀形貌和微观特征,初步提出了三层一面(基体层,热解层,炭化层,冲刷面)的烧蚀物理模型。     

中、小过载下战术发动机内流场数值模拟

针对战术发动机的飞行条件,建立了固体发动机过载条件下内流场两相流计算模型,开展了3种典型中、小飞行过载下的流场计算,详细分析了燃烧室内凝相颗粒冲刷参数分布,并初步分析了颗粒聚集状态与绝热层烧蚀之间的关系。研究结果表明:(1)当横向过载达到一定程度,在发动机筒段绝热层表面,在承载面沿着流场方向会形成一条粒子浓度缓慢增大的聚集带,而在非承载面粒子分布较为稀疏。(2)过载大小对颗粒冲刷速度的影响不明显,主要原因是燃气本身对颗粒运动的轴向加速很大,而过载的作用体现不明显。(3)燃烧室中粒子密集区一定程度反映了该部位的烧蚀环境较为严酷,绝热层烧蚀主要由于凝相粒子低速聚集导致了局部热增量加剧并引起了颗粒的二次聚集效应。因此,长时间中、小过载下,为了缓解燃烧室绝热层局部的严酷烧蚀环境,在已知粒子冲刷参数分布下,可增加局部绝热层设计厚度,调整发动机的飞行姿态使承载面呈现正负交替的过载以及增加发动机自身旋转动作。     

大型分段装药发动机绝热环烧蚀特性实验研究

为了研究大型分段装药发动机绝热环限燃层的烧蚀规律和特性,针对典型发动机开展了不同时刻和限燃层高度条件下三维两相流场的数值模拟,进行了限燃层表面烧蚀环境的特征分析和烧蚀状态参数提取,设计并研制了地面模拟烧蚀实验装置,开展了不同颗粒冲刷状态条件对限燃层烧蚀影响规律的实验研究,并采用扫描电镜分析了限燃层迎风面和背壁面炭化层的微观形貌。研究结果表明:(1)大型分段装药发动机流道中不同位置处绝热环限燃层表面的两相流冲刷状态不同,由于绝热环在流道中的阻碍作用,其表面形成了一种颗粒聚集浓度较低、冲刷速度较高而气相速度较低的烧蚀环境;(2)地面模拟实验结果表明绝热环限燃层的炭化烧蚀率随颗粒冲刷速度增加而增加,且增加幅度逐渐变大;(3)实验后限燃层的核心冲刷区域表面无炭化层残留,其烧蚀模式由机械剥蚀破坏效应主导。     

高浓度颗粒流冲刷条件下硅橡胶和EPDM绝热材料动态烧蚀实验

利用X射线实时诊断技术(RTR)针对硅橡胶和EPDM绝热材料,开展了高浓度颗粒流冲刷条件下动态烧蚀实验研究,成功获得了绝热材料烧蚀表面退移过程的序列图像。研究表明:(1)在本实验条件下,硅橡胶绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～2s内迅速增加,2s之后瞬时烧蚀率略有下降并趋于稳定;EPDM绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～1s内迅速增加,1s之后瞬时烧蚀率趋于稳定;(2)相同冲刷条件下硅橡胶绝热材料抗颗粒流冲刷性能比EPDM绝热材料差,硅橡胶绝热材料不适合在高过载发动机中应用;(3)高浓度颗粒流冲刷条件下绝热材料的烧蚀率比常规条件下要严重的多,其机理主要是高温颗粒流对炭化层有强烈的机械剥蚀效应和热化学烧蚀作用。实验结果对硅橡胶和EPDM绝热材料烧蚀机理研究及烧蚀建模具有重要参考价值。     

过载条件下不同配方体系绝热材料筛选及烧蚀特性

以国内某发动机在飞行过载下绝热层的异常烧蚀为研究背景,基于地面过载模拟装置,模拟了飞行过载条件下的颗粒冲刷状态参数,针对不同配方体系的绝热材料开展了筛选试验以及烧蚀特性研究,实验获得了三种材料的最大炭化烧蚀率和质量烧蚀率,筛选出了实验条件下抗颗粒冲刷能力较强的绝热材料,并针对实验后绝热材料的炭化层进行了电镜扫描分析,结合绝热材料配方开展了抗烧蚀特性分析。研究结果表明：（1）在实验条件下,材料B的炭化烧蚀率和质量烧蚀率均最大,材料A的居中,材料A1的最小,材料A1的抗颗粒冲刷性能最佳;（2）由于芳纶纤维的原位成炭特性,决定了三元乙丙/芳纶纤维体系绝热材料的炭化层具有一定结构强度,而恰当的纤维和SiO2含量将会增强绝热材料的抗烧蚀性能;（3）根据研究结果,建议在工艺允许的情况下,可以考虑研制同时采用芳纶纤维和石棉纤维的绝热材料体系,在针对颗粒冲刷条件时,炭化层内即有可以形成骨架结构的芳纶纤维,又可以利用石棉纤维在受热分解时SiO2和MgO熔融后和纤维以及基体之间的粘结交联效应。     

气相和粒子冲刷速度对丁羟推进剂燃速影响分析

基于试验获得的气相和粒子冲刷条件下的固体推进剂燃速数据,采用误差反向传播算法(BP算法)的人工神经网络技术开展了推进剂的燃速特性分析。网络训练和预示结果表明,利用BP算法开展冲刷条件下的燃速影响因素分析的精度在4%以内。分析结果表明,气相和粒子冲刷速度都会影响固体推进剂的燃速。在低气相速度条件下,推进剂燃速对粒子冲刷速度的变化更为敏感。粒子冲刷对固体推进剂燃速的影响存在界限效应,当粒子冲刷速度大于某一界限值时,推进剂燃速增加幅度增大,并由粒子冲刷主导。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验方法

基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,发展了一种用于固体火箭冲压发动机补燃室热结构及材料烧蚀研究的试验方法。采用该方法开展了某型室温硫化硅橡胶基绝热材料的烧蚀试验,试验分别在含氧化铝粒子侵蚀和无粒子侵蚀条件下进行,并根据SEM图对比分析了粒子对材料表面微观形貌的侵蚀效应。结果表明:无粒子侵蚀条件下的试样经烧蚀后膨胀并分层,其平均线烧蚀率为-0.025mm/s;而粒子侵蚀条件下的试样平均线烧蚀率为1.901mm/s,试样中心区域的陶瓷层被粒子完全破坏,只留下极薄的热解层和裸露的碳纤维端部,碳纤维周围的基体主胶、颗粒填料及芳纶纤维均被高速焰流氧化剥离,充分说明粒子对绝热层材料的强剥蚀破坏效应;同时也验证了该方法能较好地模拟固冲发动机补燃室内的烧蚀热环境,可用于材料配方的筛选和耐烧蚀性能测试。      

TC4钛合金与多层TiN/Ti涂层的砂尘冲蚀损伤试验

建了砂尘冲蚀试验系统,采用粒子成像测速方法获得了气体压力和砂尘速度之间的关系,并在砂尘质量浓度为28.91g/m3,速度为80m/s,冲蚀角度为30°的条件下,对TC4钛合金和多层TiN/Ti涂层进行了冲蚀试验.结果表明:TC4钛合金抗冲蚀损伤能力较差,平均质量损失率达0.7mg/min.多层TiN/Ti涂层可承受砂尘冲蚀200min以上,且TiN/Ti调制比为1:3涂层的抗冲蚀能力优于调制比为1:1的涂层.砂尘粒子垂直冲击速度分量引起的微区剥落是涂层冲蚀损伤的主要原因,增加多层涂层韧性是提高其抗冲蚀性能的关键.      

四种防热材料的烧蚀侵蚀试验研究

主要研究了2．5D高硅／粉醛、短纤维模压高硅／酚醛、斜缠高硅／酚醛、三向碳／碳等四种材料的驻点烧蚀侵蚀性能。结果表明在燃气流中粒子含量、速度、粒子种类对材料驻点烧蚀侵蚀有非常大的影响，在烧蚀侵蚀过程中，粒子的侵蚀起主要作用。     

TiAl合金粉末射频等离子体球化过程数值模拟

采用数值模拟的方法对TiAl合金粉末的射频(radio frequency)等离子体球化过程进行研究,分析速度场和温度场对不同粒径TiAl合金粉末的运动轨迹及质量变化的影响。结果表明:粉体颗粒在等离子体的高温作用下温度急剧升高,表面蒸发导致粒径降低,太小的颗粒很快蒸发消失掉;在冷却塔下端,不同粒径颗粒的运动轨迹存在较大差异,小颗粒倾向于随气流进入气流出口,大颗粒落到冷却塔底部被收集;增大气流量会提高球化系统中的气流速度,导致在气流出口能被气流带走的颗粒粒径变大,收粉率降低;模拟得到TiAl合金粉末球化后的粉末粒径分布、平均粒径及收粉率等参数与实验结果比较接近,模型能够较好地符合实际球化过程。     

颗粒冲刷条件下三元乙丙绝热材料烧蚀特性实验

为了研究三元乙丙基础配方、抗过载配方、无SiO2配方和无纤维配方等不同配方绝热材料在颗粒冲刷条件下的烧蚀特性和机理,基于高过载地面模拟试验发动机,开展了烧蚀试验研究。分析了实验后绝热材料的表面以及断面形貌特征和宏观烧蚀率结果,探讨了三元乙丙基础配方和抗过载配方绝热材料炭化层中致密结构形成的机理,进行了不同配方材料的烧蚀模式和机理的分析。研究结果表明:相同颗粒冲刷条件下,不同配方三元乙丙材料烧蚀模式和破坏机理不同,烧蚀率从小到大依次为抗过载配方基础配方无SiO2配方无纤维配方;其中基础配方和抗过载配方三元乙丙材料在烧蚀过程中炭化层形成"致密/疏松"结构,表面形成的致密结构可以提高材料的抗烧蚀性能,无SiO2和无纤维三元乙丙材料以基体的粒状和块状剥落破坏为主;不同配方绝热层炭化层的形貌和结构与纤维、SiO2含量以及烧蚀环境密切相关。     

航空发动机进气及叶栅通道内砂粒动力学特性分析

为提高发动机的吞砂、防砂能力,需要了解砂粒在发动机中运动规律及对发动机性能的影响。采用欧拉-拉格朗日法对E3发动机整流罩、风扇和增压级进行了砂粒与气流的耦合作用分析计算,加入颗粒碰撞模型和侵蚀模型。仿真分析结果表明:砂粒运动轨迹和侵蚀区域符合发动机使用规律。砂粒进入发动机与风扇叶片压力面发生碰撞,砂粒发生碰撞后大部分进入了外涵流道。砂粒碰撞位置主要集中在风扇叶片压力面处,风扇对颗粒运动轨迹的影响最显著,碰撞后的颗粒有明显的径向运动趋势,叶顶区域的颗粒富集程度较高。整流罩、风扇叶片压力面及外机匣壁面都发生较为严重的砂粒侵蚀现象,而增压级叶片砂粒侵蚀现象不明显。      

涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟

为了更加准确获得颗粒物在涡轮中的沉积分布,以某涡轮叶片为模型,选用最接近航空发动机内部颗粒组成的Jim Bridger Power Station(JBPS)颗粒为污染物,同时,利用C++编写合适的User Defined Function(UDF)经过调试来分析颗粒沉积后叶片边界的复杂变形和边界网格依赖于时间变化的重构生成,在考虑每个时间步长颗粒沉积在叶片上从而改变叶片几何特性和换热特性的情况下,来深入研究颗粒物沉积在叶片的整个过程,最终得出了沉积的分布情况,并且通过数值研究结果与实验结果的对比,验证了网格重构与融合程序的合理性、准确性。根据叶片变形情况预测腐蚀的发生情况。随后,改变主流温度、颗粒直径来研究颗粒沉积特性。结果表明:颗粒主要沉积在叶片压力面中部,但会使得叶片前缘和压力面中部均产生明显变形;叶片前缘由于颗粒沉积使得粗糙度增加形成锯齿形,最先遭受腐蚀;颗粒直径影响颗粒沉积的分布与沉积生长速度;只影响沉积速度,并不改变沉积分布。