固体推进剂速度耦合响应函数测量实验方法研究

为获得固体推进剂速度耦合响应特性,基于T型燃烧器测量技术,建立了一种测量含铝复合推进剂速度耦合响应函数的实验方法,并在工作压强为6.5MPa和振荡频率约为175Hz条件下,开展了响应特性实验研究。实验结果表明:速度耦合与压强耦合有明显的不同,压强耦合在整个振荡区域内均表现出增益作用,而速度耦合在不同振荡区域内可表现出增益作用,也可以表现出抑制作用;在本文的工况参数条件下,速度耦合响应函数值远大于压强耦合响应函数值。在固体火箭发动机非线性燃烧不稳定中,速度耦合响应是不可忽略的重要影响因素。本文所建立的实验方法能在测量速度耦合响应函数的同时获得压强耦合响应函数,可更好地分析固体推进剂的燃烧响应特性。因此,该方法为分析固体火箭发动机非线性燃烧不稳定问题提供了重要的实验手段。     

自燃推进剂模型燃烧室高频纵向燃烧不稳定性

采用集总燃烧模型对某自燃推进剂模型燃烧室的高频纵向燃烧不稳定性进行了分析,计算了液滴蒸发速率沿轴向分布,忽略化学反应时间,近似采用蒸发速率峰值位置代替集中燃烧锋面位置,采用NASA经验公式给出了相应的敏感时滞和相互作用指数,建立了考虑自燃推进剂液滴蒸发过程的高频纵向燃烧不稳定性量化分析模型。基于系统振荡增益变化曲线,分析了不同液滴初始速度条件下稳定性趋势。研究表明:集中燃烧锋面位置对于高频纵向燃烧振荡具有重要影响,液滴平均粒径和液滴初始速度的增加都会导致其向下游移动,相应振荡增益会减小,稳定性提高。当平均粒径超过150 μm时,模型燃烧室振荡增益幅值降低至10以下,达到了理论上的稳定。     

燃烧室中的非线性声波

采用计算流体力学（CFD）方法对燃烧室一维冷流和两维燃烧过程进行了数值仿真，着重研究了温度、密度、熵等变量的脉动与压力脉动的区别，以及喷射过程与声学振型的耦合，结果表明，压力和速度主要表现声特征，温度和密度部分表现声特征，部分表现流特征，而熵则只表现流特征，对于化学反应过程激发的燃烧振荡，最容易受到激发的振型是压力波腹与化学反应分布相关最强的振型。     

关于固体推进剂燃烧不稳定性研究

本文介绍了英国火箭推进研究院进行固体推进剂燃烧不稳定性研究的工作计划。 文中讨论了数据采集和处理的技术,并例举了实用发动机燃烧的不稳定性。还描述了研究不稳定性的发动机和测量在振荡压力和速度条件下固体推进剂试样的燃烧速率系统。给出一些实测结果的例子。     

基于火焰面波动机理的热释放模型理论推导及其模态分析

针对一个中心体稳定的燃烧室通过G方程的方法推导建立了火焰面波动与声波速度波动之间的耦合关系,并进而得到了燃烧热释放模型的数学函数.推导过程中考虑了燃烧膨胀效应对火焰面运动的影响,弥补了前人研究中忽略了燃烧膨胀效应的不足.该函数表明在几何结构和燃料成分等参数保持不变的情况下,湍流燃烧速度是影响热声振荡的关键参数,能够同时强烈的影响燃烧热释放模型的振幅和相位,当量比和入口空气温度等参数是通过改变湍流燃烧速度最终影响了热声振荡现象;而只有当燃烧火焰传播速度相对较大时,密度膨胀比才会对热释放幅值产生影响,并且会对热释放的相位产生影响,从而指出了各参数影响热声振荡的具体途径和相对大小.通过将推导的燃烧热释放波动模型与模态分析方法相结合,系统连续地分析了压力振幅增长率、固有频率和声压模态等重要的热声振荡特性参数随着当量比和入口空气温度的变化关系,从而得到了热声振荡稳定区间和非稳定的区间的云图.对理解和控制热声振荡现象具有重要的实际指导意义.      

HMX推进剂的燃烧不稳定性

用一套串接式可变面T-形燃烧器对HMX复合推进剂作了不稳定燃烧的实验研究.为了求得其相对稳定性,分别测定了当推进剂中的HMX,Al及AP等组分含量不同时对压力耦合不稳定燃烧的影响,并与一般双基推进剂(双石-2)不稳定燃烧特性进行的试验比较,在一维不稳定燃烧的理论基础上进行了分析和数据处理.最后得出结果:当HMX,Al及AP的含量分别在20至40%,5至15%和40至75%范围内,振荡频率为200至1500Hz时,HMX/AP/HTPB推进剂的燃烧稳定性与HTPB/AP/Al和双石-2相比最差.     

固体推进剂非线性压强耦合响应特性分析

为获得多阶声模态振荡共同作用下的压强耦合响应函数特性,考虑固体火箭发动机中多阶声模态振荡的非线性燃烧不稳定特点,在线性均质推进剂准稳态分析模型(QSHOD)的基础上,建立了二阶声模态作用下的非线性压强耦合响应模型,并对模型进行了理论分析和定性的实验验证。模型分析结果表明,基频振荡幅值对压强耦合响应函数特性影响较大;随着基频振荡幅值的增大,压强耦合响应函数由线性变为非线性,响应函数从单峰变成双峰,在高频区域形成非线性响应函数峰;在基频振荡的同时,二阶模态振荡使得响应函数的非线性特性更加显著,对非线性响应函数峰值影响较大。该模型结果与典型T型燃烧器实验结果基本相同。     

固体火箭发动机燃烧不稳定研究进展与展望

燃烧不稳定问题是今后相当长一段时间内固体火箭发动机燃烧流动领域需要解决的重要问题。由燃烧响应主导的燃烧不稳定问题具有很典型的非线性燃烧不稳定特征,是当前研究的重点与难点。采用非线性方法开展固体火箭发动机的非线性动力学分析,可以获得非线性燃烧不稳定的触发条件与稳定性区间,以及不稳定的增长过程和最终达到的极限环振荡状态。压强耦合响应、速度耦合响应、分布式燃烧、粒子阻尼和喷管阻尼是燃烧不稳定分析中重要的增益和阻尼项,在非线性燃烧不稳定分析中,这些增益与阻尼同样需要非线性表达式,需要开展精细的实验研究和理论分析,以获得更符合发动机实际工作状况的推进剂燃烧响应和铝分布式燃烧的非线性模型。深刻认识压强振荡增长过程中各阶模态间能量的传递规律,是揭示非线性不稳定触发机理和极限环形成过程的关键所在。在实验验证技术方面,需要建立起地面实验外部激励和飞试状态实际激励环境的等效分析方法,发展能够有效模拟实际飞行时发动机燃烧不稳定环境的地面等效模拟实验方法。     

固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式

通过对半无限板边裂纹的零维对流燃烧和变形扩展的模拟分析,揭示了固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式：燃烧流场和裂纹变形扩展相互作用,推进剂塑性变形对燃烧性能的影响,为燃烧断裂的深入研究提示了方向。     

固体推进剂裂纹燃烧扩展耦全的基本模式

通过对半无限板边裂纹的零维对流燃烧和变形扩展的模拟分析,揭示了固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式,燃烧流场和裂纹变形扩展相互作用,推进剂塑性变形对燃烧性能的影响,为燃烧断裂的深入研究提示了方向。     

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。     

冲压发动机突扩型燃烧室压力振荡问题(综述)

本文综述了近年来在控制冲压发动机突扩型燃烧室高振幅、低频压力振荡方面所取得的最新技术进展.介绍了用于抑制压力振荡的被动和主动控制技术.详细地讨论了燃烧室内声波动特性、剪切层流动不稳定性和热释放过程之间的相互作用以及对高振幅、低频压力振荡的影响,并根据当前在该领域的研究结果提出了几点建议.     

Influence of thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations

Vortex-acoustic coupling is one of the most important potential sources of combustion instability in solid rocket motors (SRMs). Based on the Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) experimental motor, the influence of the thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations is numerically studied via the large eddy simulation (LES) method. The simulation results demonstrate that vortex shedding is a periodic process and its accurate frequency can be numerically obtained. Acoustic modes could be easily excited by vortex shedding. The vortex shedding frequency and second acoustic frequency dominate the pressure oscillation characteristics in the chamber. Thermal inhibitor position and gas temperature have little effect on vortex shedding frequency, but have great impact on pressure oscillation amplitude. Pressure amplitude is much higher when the thermal inhibitor locates at the acoustic velocity anti-nodes. The farther the thermal inhibitor is to the nozzle head, the more vortex energy would be dissipated by the turbulence. Therefore, the vortex shedding amplitude at the second acoustic velocity antinode near 3/4L (L is chamber length) is larger than those of others. Besides, the natural acoustic frequencies increase with the gas temperature. As the vortex shedding frequency departs from the natural acoustic frequency, the vortex-acoustic feedback loop is decoupled. Consequently, both the vortex shedding and acoustic amplitudes decrease rapidly.     

声学风洞的设计

介绍声学风洞设计理论，重点阐述流场和声场以及声学测量中值得注意的一些问题，包括；声学风洞的定义；低速声学风洞和高速声学风洞的特点，关于设计方法；全新声学风洞的设计和常规风洞改造成声学风洞，设计遇到的声折射、声散射、流动振荡，消声大厅的回流，频率范围以及风扇叶片的失速问题；试验段的霍尔数以及提高霍尔数的方法；风洞消声器及降低风洞背景噪声的方法。本文还以ＮＨ－２风洞为例，简单讨论了常规风洞改造成声学风     

有声腔推力室的声学振型及其阻尼特性研究

为确定多声学模态压力振荡条件下带有1/4波长管声腔推力室的声学振型及其阻尼特性,揭示1/4波长管声腔对推力室压力振荡的抑制作用机理,对有声腔推力室和无声腔推力室进行近圆周壁面的定容弹激励仿真,激发了多模态的声学振型,给出了推力室压力分布的时空演化,并采用半带宽法定量评价每个激发声学振型的阻尼特性。结果表明：1/4波长管声腔成功抑制了目标振型（一阶切向振型）压力振荡,大幅度减小其幅值,而不是大幅度增加其半带宽,但可能增强其它非目标振型的压力振荡。声腔通过削弱目标振型波峰波谷压力差、声腔入口漩涡和增加壁面面积等三种方式来抑制目标振型压力振荡,主要以前者为主,前者旨在降低目标振型幅值,后两者是增加其半带宽。     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

部分预混燃烧室热声不稳定及火焰结构实验分析

为探明旋流部分预混燃烧室热声不稳定特性及其与火焰结构关系，进行了自激热声实验。采用重构相图解析压力脉动、采用瑞利指数表征其与热释放率脉动关系、采用本征正交分解获得火焰相干结构。结果表明:随当量比增加，压力脉动呈现低振幅脉动、间歇振荡、极限环振荡和低振幅脉动，脉动频率受腔体1阶纯声学模态（特征频率约80.8 Hz）控制。未发生振荡，瑞利指数维持在零值；热声不稳定时，瑞利指数在零值以上。本征正交分解表明，极限环振荡，前2阶模态（模态能量占比55%以上）火焰分布沿纵向发生变明和变暗交替变化，由连续涡脱落导致，且模态时间系数频率83.2 Hz与压力脉动频率83.3 Hz一致；低当量比，模态无明显空间分布规律；间歇振荡，主导模态为火焰轴对称热释放率变化；高当量比，火焰仅外边缘沿纵向发生大尺度脉动。      

Large-eddy simulation and linear acoustic modeling of entropy mode oscillations in a model combustor with coolant injection

Lean-burn combustor is particularly susceptible to combustion instability and the unsteady heat release is usually considered as the excitation of the self-maintained thermo-acoustic oscillations. The transverse coolant injection is widely used to reduce the temperature of burnt gas, but on the other hand, it will introduce temperature fluctuation inside the combustor. Therefore, it is necessary to consider the influence of the coolant injection on combustion instability, and evaluate its dynamic feature. In this paper, Large-Eddy Simulation (LES) of the self-excited pressure oscillations in a model combustor with coolant injection is carried out. The analysis of transient flow characteristics and the identification of the pressure modes confirm that one of the low frequency pressure oscillations is related to entropy fluctuations, which is known as rumble combustion instability. The LES results show that transient coolant injection is another excitation of temperature fluctuation other than unsteady combustion. The amplitude of the entropy mode oscillation increases with increasing coolant air mass whereas the change of its frequency is insignificant. According to the major feature of entropy wave oscillation caused by coolant injection, a compact coolant injection model is proposed and applied in the One Dimensional (1D) Acoustic Network Method (ANM). Key correlations used in the model match well with LES data in low frequency range. This means that the coolant injection model is a complex one reflecting the interaction of the fluctuating coolant mass, pressure and temperature. Finally, the combustion instability frequencies and modes predicted by acoustic network method are also in good agreement with LES results.     

薄壁板结构随机声激励振动响应计算与分析

针对航空发动机压气机转子叶片结构声振动问题,建立了薄壁板有限元简化模型,基于耦合有限元/边界元法对薄壁板在行波加载下随机声激励振动响应进行了仿真计算,得到了在不同声压级下的应力响应结果.改变声载荷激励方向,分别对薄壁板施加单音噪声激励和宽频随机噪声激励,通过仿真计算得到了不同角度随机声激励下薄壁板振动响应频响曲线.对比分析发现,薄壁板模态振型与噪声加载方向是引起薄壁板共振的重要因素.     

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。