用RTR技术研究固体火箭发动机燃烧室中粒子运动轨迹(I)可行性分析与试验研究

综述了固体火箭发动机二相流研究的现状及发展趋势，介绍了X射线高速实时荧屏分析（RTR）技术的测量原理，对RTR技术应用于测量固体火箭发动机燃烧室中凝相颗粒的运动轨迹的可行性作了探讨。探索表明：RTR技术应用于测量固体火箭发动机燃烧室中凝相颗粒的运动轨迹是可行的，但对凝相粒子材料的选择及适当的图像处理技术是其成功与否的关键。     

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。     

固体火箭发动机喷管喉部凝相颗粒粒度分布实验

设计了一种新的收集固体火箭发动机喷管凝相颗粒的实验装置,针对典型的HTPB复合推进剂,开展了喷管喉部凝相颗粒的收集实验和粒度分析,研究了燃烧室压强和收敛角度对喷管喉部颗粒粒度分布的影响规律。研究结果表明,喷管喉部的凝相颗粒在0.27～50μm之间都有颗粒存在,凝相颗粒主要集中在0.3～15μm之间,粒径大于15μm的颗粒较少;燃烧室压强对颗粒粒径有较大影响,随着燃烧室压强的升高,凝相颗粒粒径变小,粒度分布更为集中;燃烧室压强相同的条件下,收敛角度对喷管喉部的凝相颗粒粒度分布影响较小。     

用RTR技术确定SRM燃烧室凝相粒子加入边界条件

由于缺乏有效的实验手段, 目前的ＳＲＭ 颗粒轨道模型很不完善, 其中粒子的加入边界条件完全是建立在人为假设的基础上。针对这种情况, 发展了一种以实验为基础的确定凝相粒子加入边界条件的方法, 首先利用ＲＴＲ技术对实验发动机热试车条件下凝相粒子的运动进行实验研究, 通过图象处理技术获得粒子的运动轨迹, 然后采用轨道模型法计算实验条件下凝相粒子的运动轨迹, 通过轨迹反推法给出了粒子加入边界条件。     

固体火箭发动机零维两相燃烧室压强计算方法研究

为了更准确地预估含金属燃料固体火箭发动机的燃烧室压强,在压强计算中考虑两相流的影响,从一维两相喷管流动的求解出发,通过两相平衡流模型、两相常滞后模型、两相等温流模型、颗粒定温模型等模型的简化,分别推导不同模型下喷管中两相混合物的流量计算公式,再把流量公式应用到发动机零维内弹道理论中,推导并简化得到零维燃烧室平衡压强的计算公式。把压强公式用于HTPB推进剂固体火箭发动机和铝冰固体火箭发动机的燃烧室压强计算,结果表明,当固体推进剂中金属含量较高时(如铝含量为21%的HTPB推进剂发动机),用传统零维燃烧室压强公式预估的压强与实验误差较大,而使用合适的两相流模型和对应的零维燃烧室压强计算方法,在HTPB发动机中,能把压强预估结果与实验的误差降低到6%以内。如果使用多维内流场计算的方法,燃烧室压强预测结果的误差将下降到2.5%以内。结论发现在含金属固体火箭发动机的燃烧室压强计算中,考虑两相流的影响是必要的,而使用两相流修正后的零维燃烧室压强计算公式能够快速、较准确地预估这些发动机的燃烧室压强。     

双脉冲固体火箭发动机二次点火内视研究

利用Ｘ射线高速帝时荧屏分析（ＲＴＲ）技术对双脉冲固体火箭发动机的二次点过程进行了内研究,通过对ＲＴＲ图像的分析,弄清了隔板的打开模式以及塞子在一级燃烧室听运动规律,运用图像处理技术还获得了塞子飞出隔板后的平均速度及塞子与喷管碰撞后的反速度,这些结果为这种新型发动机的设计提供了实验依据。     

带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室试验研究

以含硼贫氧固体推进剂为燃料,对带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型首次开展了地面直连试验研究。试验模拟了23km,5.5Ma的飞行工况,通过测量压强、推力和流量等参数,得出了燃烧室性能。试验结果表明：一次富燃燃气在燃气发生器喉部沉积导致燃气流量持续提高,试验过程中当量比由0.44逐渐增加至0.54;本文所研究的凹腔稳焰结构提高了富燃燃气中气相可燃组分的燃烧效率,但对于凝相颗粒燃烧的促进效果不明显;试验工况下发动机总燃烧效率约48%,高空比冲约为423s,高于文献中所报道的中心支板喷射稳焰的固体火箭超燃冲压发动机试验比冲性能。     

双脉冲固体火箭发动机二次点火内视研究

利用Ｘ射线高速实时荧屏分析（ＲＴＲ）技术对双脉冲固体火箭发动机的二次点火过程进行了内视研究。通过对ＲＴＲ图像的分析,弄清了隔板的打开模式以及塞子在一级燃烧室中的运动规律,运用图像处理技术还获得了塞子飞出隔板后的平均速度及塞子与喷管碰撞后的反弹速度,这些结果为这种新型发动机的设计提供了实验依据。     

星孔型装药发动机三维两相流场的数值模拟

为了研究颗粒在星孔型装药固体火箭发动机燃烧室和喷管中的运动轨迹以及颗粒与发动机壁面的碰撞情况,针对可压两相流动,采用了高雷诺数下的k ε湍流模型和欧拉 拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC方法进行气固耦合计算。计算得出了流场内两相的速度、温度等参数的分布及多种情况下固体颗粒的运动轨迹。在燃气生成量确定的情况下,从距离喷管较近的某些位置进入流场的颗粒比较容易撞击壁面;颗粒的尺寸和局部产生的旋涡对颗粒的轨迹和碰撞也会产生较大的影响。     

固体火箭发动机一维非定常两相喷管流场计算

本文采用MacCormack预校二步差分格式对一维非定常两相流动喷管进行了数值求解,得到了固体火箭发动机压力建立过程中气相和凝相颗粒参数的变化规律.     

颗粒尺寸对颗粒速度滞后数的影响

本文讨论了固体火箭发动机燃烧室中颗粒尺寸对颗粒速度滞后数的影响,导出了它们之间的定量关系式,并分析了燃烧室压力和装药通道面积对颗粒速度滞后数的影响。     

固体火箭发动机中声场对凝聚相粒子的影响

固体火箭发动机中凝相粒子的空间非均匀分布不但会改变粒子的阻尼效果,还可能对金属粒子的分布式燃烧产生影响,从而显著改变发动机内的增益和阻尼。粒子的空间分布受发动机内部固有的声场压强振荡的影响,进而影响粒子对声振荡的阻尼效果。本文将连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型应用于固体火箭发动机中多物理场作用下的粒子行为研究,实现了声场对粒子行为的影响研究,获得了发动机两相流流动与声场的耦合作用规律。结果表明：CFD-DEM模型可以获得其他模型无法得到的颗粒微观信息包括颗粒与颗粒间的碰撞、颗粒与壁面的碰撞以及颗粒与气相间的相互作用等。另一方面径向声场力会使得凝聚相粒子往发动机燃烧室的中心区域汇聚,并且形成稳定宽度的粒子质量分数高达90%以上的聚焦带,而在壁面区域基本为粒子真空区域,粒子的空间不均匀分布极其显著。轴向声场力（发动机一阶基频声波）作用下颗粒分布在声场波节节点后可以观察到较高浓度粒子区减少,颗粒分布不似无声场作用那样密集,且颗粒相沿轴向的速度分布呈现先增大后减小的变化规律,在节点附近达到峰值。     

固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素研究

为了获得以飞行马赫数5.5巡航工作的固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素,开展了地面直连实验和数值模拟研究。利用数值手段研究了固体燃气喷注方式、扰流装置的形式以及燃烧室扩张比等因素对燃烧室性能的影响规律,获得了高燃烧效率(≥90%)的垂直喷注式发动机燃烧室构型。研究表明：1)垂直喷注方式能增强富燃燃气与空气的掺混效果,颗粒相的燃烧效率较中心支板式双火箭燃烧室构型提高了25%;2)对比不同级数的扰流装置对发动机性能影响,同时考虑扰流装置热防护问题和发动机结构复杂程度,双级扰流装置的扰流形式增强效果较优,颗粒相的燃烧效率较单级扰流装置的燃烧室构型方案提高了26%;3)对比不同燃烧室扩张比对发动机性能影响,扩张比1.6的燃烧室构型方案颗粒相的燃烧效率为95%。综上所述,本文优化得到了垂直喷注方式、双级扰流装置以及燃烧室扩张比为1.6的高燃烧效率的发动机燃烧室构型。     

固体火箭发动机燃烧室中的颗粒轨迹

用气相与颗粒场耦合的轨迹模型法计算了固体火箭发动机燃烧室两相流中的颗粒运动轨迹。结果表明： 颗粒轨迹受颗粒尺寸大小、颗粒初始速度的大小和方向以及气相运动特性等影响。燃烧室中的两相流动是一种非常滞后的非平衡流动。颗粒尺寸越大, 惯性越大, 随流性越差。尺寸相差较大的颗粒可能有完全不同的轨迹。在一定条件下,颗粒会穿过通道的中心线,甚至打到对面壁上并反弹。颗粒会受气相旋涡的影响, 甚至有可能卷入旋涡     

固体火箭燃烧室内微粒分布的实验研究

介绍一种实时脉冲取样器用于测定固体火箭燃烧室内凝相微粒尺寸分布技术，实验结果表明，含铝推进剂微粒呈二模态或三模分布，燃烧室内压力大，微粒趋大，燃烧室压力很小，微粒亦趋大，有一最小尺寸的压力值，残渣影响微粒尺寸测量，而推进剂燃烧特性将直接影响着微粒尺寸分布。     

固体火箭发动机内轴对称两相流场的一体化数值模拟

将固体火箭发动机燃烧室和喷管作为一个整体，应用时间相关法进行了轴对称两相流场的一体化数值模拟。对气相采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式差分格式，对颗粒相则采用特征线法进行计算。计算结果表明该方法可以对带潜入式喷管的发动机内复杂的两相流场进行有效的数值模拟。     

固体火箭冲压发动机燃烧室热防护层烧蚀计算

为了研究冲压发动机燃烧室的热防护性能，用类比法计算了整体式固体火箭冲压发动机燃烧室壁面的烧蚀，其中考虑了热解气流对烧蚀的影响，并将国外有关固体火箭发动机喷管烧蚀计算时所用经验参数（指前因子）通过换算转换到冲压发动机燃烧室烧蚀计算中，计算结果符合物理规律，并与试验结果符合较好，该项研究为冲压发动机燃烧室热防护层的设计提供了有效的分析手段。     

RTR系统测试精度的改进

对目前使用的ＲＴＲ系统中存在的问题进行了分析,指出影响ＲＴＲ系统测试精度的主要原因是高速运动分析仪的图像分辨率太低及Ｘ射线系统本身造成的系统误差。总结了提高ＲＴＲ系统测试精度的措施,包括提高变压器的稳压性能,改进实验器设计水平,提高试车台架的刚性以及运用图像处理技术等,将这些改进措施应用于ＳＲＭ燃烧室凝相粒子运动规律的实验研究,取得了比较明显的效果。     

未来固体火箭发动机对结构材料的要求

固体火箭发动机结构材料是指燃烧室和喷管的材料。本文根据未来固体火箭技术的发展,对其结构材料的发展方向提出要求。     

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。