点火期间装药裂纹内流场特性的有限元计算

通过理论分析,建立了固体火箭发动机推进剂裂纹动态点火的理论模型,对裂纹内部燃烧流动情况进行了理论计算。在非结构网格下,用有限元方法计算了不同几何特性和增压梯度下,火焰在裂纹内的传播及裂纹内的压强变化情况。计算表明：增压梯度越大,裂纹越窄,裂纹内的火焰传播速度越大,裂纹尖端压强也越大。     

固体药柱燃烧断裂边界一维流场特性

以发动机燃烧室增压为条件,详细模拟了固体药柱燃烧断裂边界一维流场的特性。高温燃气在燃烧室增压驱动下注入药柱裂纹,在裂纹内形成压力波和火焰锋的传播过程。压力波前和封闭的裂纹顶端会产生拍击作用,使得裂纹顶端的压力迅速增加,进而在燃烧室增压率增大的方向上,裂纹顶端相继出现火焰减速传播、压力突升、超前点火和火焰加速传播等现象。这就找到了国内外学者在一维假设下发现的各现象之间的内在联系,并描述了四种不同的火焰传播曲线。     

固体推进剂裂纹对流燃烧和扩展的研究分析

评述了固体推进剂裂纹对流燃烧及扩展的研究，讨论了推进剂裂纹对流燃烧的流场与裂纹的变形、扩展及其之间存在着强耦合作用。初步揭示了在不同的燃烧室压力率下单一裂纹扩展的不同模式，指出裂纹腔内火焰的离散传播、裂纹尖端的压力突升以及对流燃烧条件下的裂纹失稳扩展极可能诱导产生DDT过程，提出了需进一步深入研究的问题。     

带装药裂纹发动机内流场数值研究

在N－S方程基础上，考虑网格移动，建立了适用于固体火箭发动机内流场的湍流控制方程组，并对带装药裂纹的固体的火箭发动机内流场进行了数值模拟，分析了推进剂中裂纹深度，宽度、位置、角度等多种因素对发动机内流场的影响，计算结果表明：（1）裂纹出口处流速高，大于主通道流速，在裂纹出口附近存在回流区；（2）当裂纹紧靠发动机前封头时，裂纹出口附近回流强度减弱，裂纹对发动机内的流动影响较小；（3）当裂纹深度与裂纹宽度比大于240时，裂纹内压强急剧升高，对发动机装药结构完整性具有重要影响。     

正庚烷/空气混合气最小点火能量及其影响因素

利用定容弹燃烧系统对正庚烷/空气混合气的最小点火能量进行了实验测量,获得了不同初始条件下正庚烷/空气混合气的最小电火花点火能量。实验结果表明:正庚烷/空气混合气的最小点火能量随当量比的增大先减小后增大。对于初始压力为0.1MPa和初始温度为450K的混合气,最小点火能量在当量比1.1附近达到最小值,为0.3904mJ。实验发现:正庚烷/空气预混气的初始压力和初始温度对最小点火能量有重要的影响,与对火焰传播速度的影响是一致的。分析表明,初始温度和初始压力无论是对最小点火能量还是对火焰传播速度的影响,都与混合气的化学反应速率密切相关,化学反应速率越快,火焰传播速度越大,最小点火能量越小。      

燃烧室升压梯度对固体推进剂裂纹燃烧与扩展影响的研究

建立了描述固体推进剂裂纹燃烧与扩展过程的数学模型。通过实验和理论计算研究了燃烧室升压梯度对固体推进剂裂纹燃烧与扩展的影响。结果表明,燃烧室升压梯度对裂纹腔内对流燃烧流场、以及裂纹的开裂时间和开裂方式都有很大影响。实验结果和理论计算结果的一致及理论计算的双向耦合性质。      

NEPE推进剂的高压燃烧特性研究

应用高压燃速测试、微热电偶测温及燃烧火焰单幅摄影等技术,研究了NEPE推进剂的高压燃烧特性与燃烧机理。实验结果表明:NEPE推进剂高压压强指数出现拐点;且随压强以及AP含量升高,燃烧波由硝胺-CMDB向AP-CMDB推进剂转变。分析认为硝酸酯基的含量及AP单元推进剂的扩散火焰是控制NEPE推进剂燃速及压强指数的主要因素。     

过氯酸铵粒度对丁羟复合固体推进剂侵蚀燃烧的影响

用透明窗发动机及高速摄影装置研究过氯酸铵粒度对丁羟复合固体推进剂侵蚀燃烧的影响,得出了不同过氯酸铵粒度推进剂的侵蚀比与气流速度及压力的关系式.结果表明,复合推进剂中过氯酸铵粒度越大,其燃速对气流速度和压力越敏感,即侵蚀越严重;过氯酸铵粒度越大,其侵蚀界限速度越小,即其越易发生侵蚀;每种过氯酸铵粒度的推进剂,其侵蚀界限速度均随压力的增大而减小.     

LSDW速度随激光参数和环境气体压强变化规律的实验研究

对LSDW速度随入射激光能量、激光聚焦角度和环境气体压强变化的规律进行了实验研究。研究发现,入射单脉冲激光能量越大,聚焦角度越小,环境气体压强越小,LSDW的传播速度越大。实验测量得到的LS-DW速度随入射激光能量、聚焦角度和环境气体压强的变化规律与一维理论公式中体现的规律完全一致。将相同条件下的实验数据与理论结果进行比较后发现,二者在定性上取得了很好的一致性,但在定量上有所差别,因此需要对现有一维理论公式进行修正,以便更深入地研究LSDW的传播演化规律和特性。     

提高固体火箭发动机性能的技术途径

用固体发动机比冲的理论计算方法计算了发动机比冲与平均工作压强的关系，由发动机质量比的表达式，推出质量比与发动机最大工作压强和平均工作压强比以及药柱装填分数的关系。计算和试验结果表明：发动机比冲随着平均工作压强增加而增加；发动机质量比随着药柱体积装填分数增加以及量大压强和平均压强比的减小而增加。结论：提高平均压强和药柱装填分数以及降低最大压强与平均压强比是提高发动机性能的技术途径。     

大后翼与主流相互作用的模拟点火试验

论述了缩比模拟发动机中大后翼与主流的相互作用以及大后翼点火的工作状态。通过试验,得出了主流和大后翼相互作用时,缝底部产生的压强较翼缝外空腔高。在试验条件下,模拟后翼气流与前部气流相互作用时没有爆燃现象。     

涡轮叶冠换热特性实验与数值模拟

利用数值模拟及实验方法对涡轮叶冠间隙流场换热特性进行了研究,分析静止状态下叶尖泄漏流雷诺数、前后孔岀流比、叶尖间隙等参数对叶冠的表面传热系数的影响.结果表明:叶冠转速的变化对表面传热系数影响较小;随着泄漏流雷诺数的增加,叶冠的平均表面传热系数增大;平均表面传热系数随前、后孔岀流比增大而增大,其中前孔出流比的影响较为明显;叶尖间隙减小,平均表面传热系数增大,并且随叶尖间隙的减小,增长越来越快.将计算与实验结果进行了比较,吻合良好,误差小于10%.      

点火瞬态燃气在翼槽内的充填现象研究

翼槽内的火焰传播过程首先是燃气充填过程,其次是火焰传播过程。采用高速摄影技术测定了点火瞬态模拟实验发动机后翼槽区内的燃气充填现象,研究了不同设计参数对燃气充填过程的影响,发现燃气在翼槽内充填时间的长短与升压梯度和翼槽的宽度有关,流动形式与初始燃气速度和喷管潜入深度有关。     

基于能量模型的三维穿透裂纹扩展研究

利用能量释放率与应力强度因子的关系,给出了裂纹尖端的有效能量释放率;裂纹稳定扩展时有效能量释放率恰好等于裂纹扩展阻力,利用裂纹尖端前沿各点的有效能量释放率相等关系,提出了一种基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法,可以计算不同厚度试样的三维穿透裂纹扩展形貌,并通过不同厚度单侧裂纹板的有限元仿真计算和试验进行了验证.仿真与试验结果表明:利用基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法可以确定三维结构的裂纹扩展形貌;随着单侧裂纹板厚度的增加,裂纹尖端“隧道效应”消失,裂纹扩展形貌转变为“马鞍”形;试样自由面处的裂纹扩展速率要小于中面处的裂纹扩展速率.      

聚硫推进剂燃烧条件下裂纹扩展过程的研究

研究了影响聚硫推进剂试件内裂纹扩展的各种因素。对含裂纹的推进剂试件进行了大量的燃烧试验,其燃烧过程用Ｘ射线实时成像系统进行了记录;并用粘弹性有限元方法计算了试件在燃烧过程中的应力应变状态,利用Ｊ积分法对裂纹扩展的可能性进行了预估。理论分析和试验结果均表明：燃烧室增压速率、裂纹尺寸、边界条件等因素对裂纹的扩展均有较强的影响。该研究结果对制定固体火箭发动机装药失效判据有一定的参考价值。     

脉冲发动机建压段瞬态燃速模型

针对脉冲发动机工作时间短,压强高的特性,对建压阶段的瞬变燃烧过程进行了模型研究。该模型基于非稳态凝聚相能量方程,并耦合气相热反馈为求解该能量方程的边界条件,从而引入压强对燃烧过程的作用。模型中压强的变化规律由同样条件下的试验p-t曲线拟合得到。通过模型计算,可以对建压过程中推进剂表面温度随时间的变化规律、各压强下的瞬态燃速做出预测,结果与试验数据较好地吻合。用该瞬态燃速进行建压段内弹道仿真,与稳态数据相比,更接近实测曲线,表明该模型可以用于脉冲发动机建压段的瞬态燃速的预估。