液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴研究综述

在双组元液体火箭发动机中,气液同轴直流式喷嘴得到了广泛的应用,这种喷嘴通常由中心的直流式液体喷孔和同轴气体环缝组成。气液同轴直流式喷嘴的工作特性可以分为雾化特性和燃烧特性。其中雾化特性又包括同轴气体作用下射流破碎雾化机理、雾化性能、真实发动机高温高压环境的影响、不稳定燃烧时压力振荡的影响以及自激振荡等;燃烧特性又包括火焰稳定机理、火焰结构以及真实发动机环境的影响等。本文从上述几个方面对气液同轴直流式喷嘴的工作原理进行了综述,以加深对其工作过程的认识。     

燃气发生器结构对燃烧性能的影响

为了确定最佳的燃气发生器结构,对不同结构的燃气发生器进行了对比试验,考察了喷嘴尺寸、燃烧室长度、燃烧室构型等因素对燃气发生器燃烧性能的影响.研究结果表明:在一定范围内增大喷嘴尺寸,燃烧性能基本不受影响,但却可以缩短燃气发生器的点火延迟时间,并且增大流量调节范围;增加燃烧室长度可以明显的提高燃烧效率;燃烧室的构型对燃烧性能有很大影响,收缩-扩张型着火段影响了燃烧过程,降低了燃烧效率,燃气发生器设计不宜采用这种构型.      

喷嘴结构对非壅塞式固冲发动机结构匹配性的影响

采用雷诺平均N-S方程和k-ε双方程湍流模型，研究了燃气发生器喷嘴构形对补燃效率的影响。通过一次流、二次流流线和燃烧效率分析，提出了一次流切人点的概念。结果表明：按照良好的燃气切人点设计燃气发生器喷嘴，不仅可以获得较高的燃烧效率，而且可以获得对补燃室热结构有利的温度场分布，实现固冲发动机的结构匹配性。     

某型号燃气发生器燃烧稳定性分析

为对某型号液体火箭发动机的燃气发生器提供可靠的设计方案,对燃气发生器各种设计方案的工作过程进行了数值仿真及稳定性能研究。根据燃气发生器的特点对该燃烧室进行了数学建模和数值仿真,针对不稳定燃烧的类型对该型号燃气发生器进行了低频稳定性分析。结果表明:数学模型能够很好地对燃气发生器工作过程中各物理参数进行预估;通过提高氧的喷注压降、减小氧的燃烧时滞等方法可以有效地提高该型号的燃气发生器的工作稳定性。     

低燃速贫氧推进剂燃气发生器端面燃烧规律动态诊断研究

为了探索冲压发动机用低燃速贫氧推进剂燃气发生器端面燃烧的规律,采用X射线荧屏分析技术对全尺寸燃气发生器端面燃烧规律进行了诊断研究。试验成功采集了燃气发生器药柱燃面随时间的退移图像,图像数据表明低燃速贫氧推进剂药柱沿轴线方向以近似"三维"锥面体进行退移,在45s左右逐渐形成相对稳定的锥顶角68.5°。试验数据还表明,锥面效应一方面引起燃气发生器药柱燃速由1.60mm/s增大到1.80mm/s;另一方面引起装药燃烧室压强由初始平衡压强0.89MPa爬升到最大工作压强1.75MPa。工作结束后喷管喉径固体线性沉积率为2.68μm/s。     

针栓式喷嘴喷雾燃烧特性研究进展

针栓式喷嘴具有深度节流、结构简单、燃烧稳定等优点,主要用于变推力液体火箭发动机。本文首先介绍针栓式喷嘴的工作原理和发展历程,紧接着总结针栓式喷嘴的雾化特性和燃烧特性,最后展望针栓式喷嘴未来的研究方向。目前针栓式喷嘴的雾化特性研究较多,重点分析了工况参数和结构尺寸对破碎形态、喷雾锥角、SMD、液滴速度等的影响,针对针栓式喷嘴液膜破碎机理的研究相对较少;针栓式喷嘴燃烧特性研究主要集中于燃烧流场结构、燃烧性能和热防护等方面,对针栓式发动机固有燃烧稳定性机理以及动态燃烧特性的研究还较为欠缺。     

三组元喷嘴雾化特性的试验研究

三组元喷嘴是气氢／液氧／煤油火箭发动机的重要部件,对４ 种类型的三组元喷嘴进行了雾化特性试验, 研究了喷嘴的雾化特性随各组元喷注压降的变化规律, 分析了喷嘴结构对雾化性能的影响, 比较了相同工况下单喷嘴和三喷嘴的雾化性能, 进行了三组元工况和双组元工况下的雾化特性试验, 试验结果表明同轴离心内混式喷嘴的雾化性能较好。所得结论对三组元喷嘴和气液同轴式喷嘴的优化设计有重要的参考价值     

喷前压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究液体火箭发动机供应系统压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响,进行了撞击式喷嘴的动态雾化实验。通过脉动装置在喷嘴供应系统上施加不同频率和幅值的周期性压力脉动,利用两套高速摄影系统分别获得了动态雾化图像和雾场横截面上的散射光强,以此分析了撞击式喷嘴对喷前周期性压力脉动的响应频率和响应幅值范围及其对平均雾化角度的影响。结果表明,在研究的脉动频率范围内(0~4050Hz),当喷前压力脉动幅值大于某一阈值后,雾化出现了明显的周期性质量聚集现象,其频率与喷前压力脉动的频率相同。脉动幅值增加,散射光强度的振荡幅值也增加,参与混合燃烧过程的介质流量振荡幅值加剧。平均雾化角度受脉动频率和幅值的影响都较小,变化范围处在均值的±4%以内。     

冲压发动机的固液燃气发生器方案研究

为解决固体火箭冲压发动机和固体燃料冲压发动机的流量调节问题,曾经提出过采用固液燃气发生器的方案。近年来,意大利那不勒斯大学航天科学与工程系研究了两种固液燃气发生器方案,用控制固液燃烧来调节进入冲压燃烧室的富燃料燃气流量,从而达到调节固体火箭冲压发动机和固...     

气液同轴直流式喷嘴喷雾及燃烧试验研究

介绍了气液同轴直流式喷嘴的冷流喷雾特性实验研究和热点火燃烧试验工作。冷态实验以空气和水作为模拟工质在亚临界条件下模拟燃气和液氧, 研究了气液喷嘴的雾化特性、流量特性和气液两相的相互影响。用液氧和高温燃气对多个喷注单元组成的喷注器在超临界压力下进行了燃烧试验。通过冷态和热态试验, 确定了 4种喷嘴的性能优劣。      

改性双基推进剂老化燃烧性能实验研究

用Ｘ射线实时荧屏分析系统对人工加速老化的改性双基推进剂的燃烧性能进行试验研究,结果表明,人工加速老化对双基推进剂的燃速影响不大,但对推进剂的装药结构性能有较大影响。试验发现在７０°Ｃ的老化温度下２４天后,推进剂的结构破坏导致异常燃烧现象明显,辅助试验表明,６０°Ｃ９０天可以认为是该种推进剂的安全界限     

用RTR技术研究固体发动机燃烧室中粒子运动轨迹(Ⅱ)图象处理技术应用

针对采用RTR技术获取固体火箭发动机（SRM）燃烧室中凝相粒子运动图象的特点，应用了背景减影、图象增强、图象分割、噪声过滤、图象叠加等图象处理手段对其进行处理，获得了较清晰的粒子运动轨迹图象。结果表明图象处理技术是开展利用RTR技术进行SRM二相流研究的关键环节之一。     

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。     

轻型动能拦截器固体控制发动机方案分析

对国外轻型动能杀伤飞行器（ＫＫＶ）采用固体燃气发生器作动力的控制发动机方案进行了分析,比较了变流率燃气发生器、装药设计和脉宽调制变推力执行机构方案等,提出了适合国内技术条件的可行方案,并讨论了有关技术问题。     

固体推进剂燃烧断裂边界二维流场特性

在高温、高压的对流燃烧条件下,固体推进剂的断裂扩展是一个十分复杂的非线性非平衡不可逆的热力学耦合过程,裂纹对流燃烧流场与裂纹的变形、扩展之间存在着强耦合作用。以二维粘流Ｎ－Ｓ方程着重模拟了固体推进剂燃烧断裂边界二维流场特性,并和一维结果进行比较,全面展示了燃烧断裂动力学边界的时变特性,为燃烧断裂扩展模式的后续研究提供参考。     

胶质微推进液滴加速过程的数值模拟

采用拉格朗日粒子跟踪法计算液滴的运动轨迹,对胶质推进器中带电液滴在加速区的运动过程进行了数值模拟,获得液滴速度和密度的空间分布。使用两种溶剂(TBP3,甲酰胺)作为推进剂,分析了电压、流量变化对喷雾扩散角、液滴轴向速度及对推进器性能的影响。模拟结果表明,随着电压的增加,液滴轴向速度增大,喷雾扩散角减小;随着流量的增大,液滴轴向速度和喷雾扩散角均减小;使用甲酰胺推进剂比使用TP3推进剂得到更高的推力和比冲;模拟得到的推进器性能能良好符合实验结果。     

旋转固体发动机燃烧室燃气湍流流动数值模拟

采用贴体坐标系和ＳＩＭＰＬＥ法,对固体发动机在旋转热试车条件下的燃烧室内流场进行了数值模拟。不同燃烧时刻的计算结果表明： 旋转对固体发动机燃烧室燃气流动结构的影响随着燃烧肉厚的退移而显著增强; 在发动机药柱的前翼燃烧消失后, 前封头开口区域的切向涡开始变得强烈; 切向涡的分布呈现Ｒａｎｋｉｎｅ 涡的特点, 在发动机前开口区域涡的固核半径极小, 旋转速度极大, 这将严重影响该区域的热防护, 应引起有关设计人员的高度重视。     

喷嘴形式对幂律型非牛顿推进剂雾化特性的影响

为寻求幂律型非牛顿推进剂有效的雾化喷嘴形式,采用与该推进剂流变特性基本一致的水基模拟液对直流式喷嘴、撞击式喷嘴、剪切撞击式气动雾化喷嘴、气泡雾化喷嘴和离心式喷嘴进行了雾化特性实验,比较了喷嘴形式及其结构参数对雾化特性的影响.结果表明:撞击式喷嘴是一种有效的雾化形式,撞击角度和射流速度是主要影响参数;气泡雾化喷嘴是一种高效的雾化方法,在约为4%的气液比下使水基模拟液破碎并产生液滴.      

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。     

固体推进剂装药裂纹内燃烧流动的实验研究

通过设计实验装置形成了一条预制裂纹,用高速运动分析仪及数据采集系统测试了火焰的裂纹内的传播及裂纹内的压强变化,研究了不同几何特性和增压下,固体推进剂裂纹的燃烧流动情况。实验表明：裂纹内的火焰传播速度受裂纹几何条件和增压的共同影响,增压越大,裂纹越窄,火焰传播速度越大。裂纹尖端压强与裂纹入口压强比的最大值也受增压和几体条件的影响,增压越大,裂纹越窄,该压强比越大。