固体火箭发动机碳基材料喷管机械侵蚀特性

为研究碳基材料喷管的机械侵蚀特性,基于两相流理论和经验公式,考虑液滴的蒸发与反应,建立了二维轴对称碳基材料喷管机械侵蚀计算模型.针对15-lb BATES发动机喷管进行了机械侵蚀计算,研究了液滴轨迹、机械侵蚀情况的分布规律,以及推进剂中Al质量分数和燃烧室压强对机械侵蚀的影响.结果表明:机械侵蚀率计算最大值为55μm/s,在实验结果范围内.Al/Al₂O₃混合液滴是机械侵蚀的主要因素,Al液滴由于蒸发氧化而不对壁面造成碰撞.机械侵蚀发生在喷管收敛段,峰值位于喉部上游入口处,喉部和扩张段无机械侵蚀现象.推进剂中Al质量分数增加对机械侵蚀率无显著规律性影响.机械侵蚀率随燃烧室压强的增加呈超线性增长.      

聚集状态下燃烧室凝相粒子粒度特性实验

设计了具有收敛段的粒子发生装置,采用密闭收集水罐,针对HTPB推进剂开展实验,有效完整地收集到了聚集状态下的凝相粒子。采用扫描电镜和粒度分析仪对收集的粒子进行了分析。结果表明,聚集状态下颗粒间碰撞聚合非常严重,大颗粒一般由多个颗粒聚合而成。碰撞聚合条件下凝相粒子的粒度分布范围比较宽,颗粒分布峰值粒度在9～13μm之间,比非聚集状态下的主峰粒度大很多。研究结果可为两相流数值计算、发动机工作过程分析提供基础数据。     

NEPE高能推进剂凝相燃烧产物的特性分析

通过改进固体推进剂凝相燃烧产物收集装置,在降低系统复杂程度的同时实现了对工作压强的稳定控制。对NEPE高能推进剂在三种工作压强下产生的凝相产物进行了收集,采用粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对获得的凝相燃烧产物进行了深入分析。结果表明,对于NEPE高能推进剂,工作压强对峰值粒度的影响不大,各压强下的平均峰值粒度均在1μm至2μm之间;大部分粒子呈规则球形,少数大粒子会发生形状改变;铝粒子在燃烧室中一般不会全部被氧化成Al2O3。     

影响Al2O3凝相尺寸分布的因素

用激光全息装置测量含铝复合推进剂燃烧场凝聚相的尺寸分布，分辨率为5μm。分析了滞留时间、铝粉含量(2%～16%)和燃烧室压强(0.1MPa～4MPa)对凝相粒子尺寸分布的影响。实验表明，粒子总数随滞留时间减少，粒子越大,减少的相对比例越大；粒子尺寸分布不随燃烧室压强和推进剂铝粉含量变化。     

固体推进剂定淬息距离凝相燃烧产物收集方法

含铝固体推进剂凝相燃烧产物对发动机的能量特性、热防护以及燃烧稳定性均有重要影响。为了排除燃烧过程中推进剂燃面退移造成的凝相燃烧产物淬息距离逐渐增大的影响,设计并建立了一套基于恒定淬息距离的凝相燃烧产物收集系统,并通过典型丁羟四组元推进剂凝相燃烧产物的收集和分析,对该收集方法进行了校验。结果表明,淬息距离恒定使得凝相燃烧产物中的大粒径颗粒含量明显增大,小粒径的颗粒含量减小,产物中的单质铝含量增加。粒度分布与燃烧效率的差异验证了该收集方法的必要性及合理性。基于新的收集方法,研究发现燃烧室压力的增大使得推进剂燃面团聚程度减弱,团聚物平均粒径减小,收集到的凝相燃烧产物的平均粒径随压力增大而减小。     

影响Al2O3凝相尺寸分布的因素

用激光全息装置测量含铝复合推进剂燃烧场凝聚相的分布，分辨率为5μm。分析了滞留时间、铝粉含量（2％－16％）和燃烧室压强（0.1MPa-4MPa）对凝相粒子尺寸分布的影响，实验表明，粒子总数随滞留时间减少，粒子越大，减少的相对比例越大；粒子尺寸分布不随燃烧室压强和推进剂铝粉含量变化。     

收集处理方法对含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性影响

含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性对固体火箭发动机的燃烧效率、燃烧稳定性和绝热安全性等影响重大。为获得准确可靠的凝相燃烧产物的理化特性,利用定压燃烧装置来收集凝相燃烧产物,采用马尔文激光粒度分析仪、扫描电镜及X射线衍射仪对产物进行表征,研究收集介质、干燥处理和超声分散对凝相燃烧产物性质的影响。结果表明,使用水收集获得的凝相燃烧产物平均粒度与氮气收集条件下相比大60%,水收集法适用于研究推进剂近燃面凝相燃烧产物。干燥处理能保证凝相燃烧产物样品中大尺寸颗粒的有效取样,在粒度测试之前需要对样品进行干燥处理来获取准确的凝相燃烧产物粒度分布数据。超声分散会导致大颗粒团聚物含量降低,小颗粒团聚物含量升高,最终显著降低凝相燃烧产物平均粒径。粒度测试时,在80kHz条件下,超声分散参数设定为40 W,5 min较为合适。基于研究结果,提出了一套科学合理的凝相燃烧产物收集处理方法。     

固体脉冲推力器羽烟粒度分布检测

为进行固体脉冲推力器点火启动过程的颗粒传热增强分析以及两相流动分析等研究的需要，采用MALVERN粒度分析仪和相应的辅助装置，检测了固体脉冲推力器排气羽烟中的颗粒粒度分布，得到了点火器燃烧产物和推进剂燃烧产物的颗粒粒度分布数据，检测结果表明，两种产物的颗粒粒度分布都呈多峰值分布状态，粒径范围为5～80μm，点火器燃烧产物的颗粒中间直径约为57μm；推进剂燃烧产物的颗粒中间直径约为39μm。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

喷管摆动角度和频率对SRM中压力振荡响应特性的影响

喷管摆动可能会诱发燃烧不稳定性,而不稳定性问题已经受到了国内外研究人员的高度重视。为了研究喷管摆动角度和频率对燃烧室内压力振荡响应的影响,采用数值模拟方法,在给定某时刻装药燃面、喉径和正弦摆动方式下,对不同摆角和摆频下的发动机燃烧室压强变化规律及喷管摆动过程的响应规律进行数值分析。研究表明:固定摆动频率,改变摆动角度,燃烧室内平均压力都随时间小幅度上升,摆动角度为3°和7°时,平均压强增量较其它角度而言较为明显;固定摆动角度,随着摆动频率的增加,喷管摆动引起燃烧室内低频响应幅值在增加;由喷管摆动所引起的燃烧室压力振荡频率主要集中在100Hz以下的低频区。     

Numerical study on combustion efficiency of aluminum particles in solid rocket motor

The combustion of aluminum particles in solid rocket motor plays an important role in energy release of propellants. However, due to the limited residence time, aluminum particles may not be burned completely, thus hindering the improvement of specific impulse. This study aims to explore the characteristics of aluminum combustion efficiency and its influencing factors by experiments and numerical simulations, providing a guideline for engine performance improvement. As an input of simulation, the initial agglomerate size was measured by a high pressure system. Meanwhile, the size distribution of the particles in plume was measured by ground firing test to validate the numerical model. Then, a two-phase flow model coupling combustion of micro aluminum particle was developed, by which the detailed effects of particle size, detaching position and nozzle convergent section structure on aluminum combustion efficiency were explored. The results suggest that the average combustion temperature in the chamber drops with increasing initial particle size, while the maximum temperature increases slightly. In the tested motors, the aluminum particle burns completely as its diameter is smaller than 50 μm, and beyond 50 μm the combustion efficiency decreases obviously with the increase of initial size. As the diameter approaches to 75 μm, the combustion efficiency becomes more sensitive to particle size. The combustion efficiency of aluminum particle escaping from end-burning surfaces is significantly higher than that from internal burning surface, where the particle combustion efficiency decreases during approaching the convergent section. Furthermore, the combustion efficiency decreases slightly with increasing nozzle convergent section angle. And theoretically it is feasible to improve combustion efficiency of aluminum particles by designing the convergent profile of nozzle.     

双补燃室固冲凝聚相颗粒分布对比试验研究

针对固冲发动机燃烧效率较低以及凝相粒子分布规律不清楚的现状，本文建立了一套评价固冲发动机燃烧效率的双补燃室试验装置和研究凝相颗粒分布的取样装置。对比研究了结构相同的补燃室内的参数，其误差小于0.5%，说明该装置可以用于精确对比不同补燃室的燃烧效率。然后应用该装置完成了补燃室长度分别为600mm、800mm、1000mm，进气角度分别为30°、45°、60°的对比试验，分析了粒子的粒度分布规律和化学成分变化规律，该规律与数值分析的规律相同。试验结果表明：在进气角度不变情况下，补燃室长度增加有利于提高燃烧效率，燃烧室压强提高，凝相粒子直径明显减小，B粒子燃烧更充分；在补燃室长度为1000mm的情况下，进气角度增加有利于燃烧效率增加，燃烧室压强提高，粒子直径减小，B粒子燃烧更充分。双补燃室发动机是评价补燃室燃烧效率的有效装置，粒度分布和燃烧产物的化学成分有助于补燃室结构设计。     

改变结构参数对旋流喷嘴内外两相流场的影响

针对一种超细粉体旋流分散喷嘴,在不同进气角度和出口锥角的条件下,采用雷诺应力湍流模型(RSM)并考虑气体的可压缩性,对喷嘴内部及出口附近的强旋、跨声速流场进行了模拟,同时结合离散相模型研究了1~10μm粒子的运动轨迹和质量浓度分布规律.结果显示:改变旋流喷嘴的进气角度对旋流强度和湍流强度影响不大,而出口锥角改变时,喷嘴内的旋流强度有明显变化;随着颗粒密度或出口锥角增大,或进气角度减小,旋流喷嘴内粒子的临界逃逸粒径相应减小;在喷嘴后方,颗粒相达到较好的扩散均匀性所需的掺混距离约为20倍喷嘴出口直径.      

航空发动机离心通风器性能试验

为获取某型发动机离心通风器性能,通过试验模拟通风器的油雾工作环境,综合运用测质量法与光学测量方法,获取分离效率、粒径分布与压降数据。试验结果显示,分离效率随转速增加呈现先线性上升后平缓的规律。转速从静态增加到1 000 r/min,分离效率增加10%,油雾平均直径从1.8 μm降低至1.3 μm,粒径2.0~3.0 μm基本被分离;转速增加至2 500 r/min,平均粒径基本不变,未分离油雾粒径集中在2.1 μm以下。空气质量流量基本不影响粒度分布,对分离效率影响小;压降随质量流量、转速增加而增加。      

气膜孔附近粒子沉积特性的数值研究

研究了气膜孔附近的粒子运动与沉积特性,重点研究了粒子直径和气膜出流吹风比对粒子运动与沉积特性的影响. 基于EI-Batsh粒子沉积模型,考虑了粒子的黏附/反弹和离去机制,编制了相应的粒子沉积计算模块集成在Fluent软件中,并利用相关实验数据对该计算方法进行了验证.结果表明:1,2μm直径粒子沉积率随吹风比增大而增大;3,4μm直径粒子沉积率则随吹风比增大而减小.1μm直径粒子易受气膜出流卵形涡对的卷吸作用而沉积于相邻气膜孔之间区域,当吹风比为2时粒子沉积率比吹风比为0时高约5倍;5μm直径粒子运动轨迹受气膜出流影响较小.总体沉积率随吹风比升高而不断降低,吹风比为2时总体沉积率比吹风比为0时减小1.7%.      

固液混合火箭发动机喷焰红外辐射特性分析

为了研究固液混合火箭发动机喷焰在不同飞行状态的红外辐射特性,建立了固液两相状态下喷焰的红外辐射计算模型,获得了喷焰在2~12μm波段的红外辐射.将喷焰的温度、压力、摩尔组分等作为输入条件,米氏散射(Mie)模型计算颗粒相的散射,采用有限体积法(FVM)离散辐射传递方程,利用中分辨率大气辐射传输(MODTRAN)模型计算不同观测距离的大气透过率,编程计算得到不同飞行高度,不同观测方向下喷焰的红外辐射.结果表明喷焰红外辐射亮度与温度分布类似,在2.7~3.0μm和4.2~4.5μm波段范围内的辐射较强,高温粒子在近红外比远红外对总辐射的贡献大,太空与地面观测不同飞行高度的发动机喷焰辐射率因大气衰减的不同而有所差异,可为目标跟踪与发动机设计提供参考.      

前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性

基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型.对比分析了纯气相和气固两相...     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机（PDE）,在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明：喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3．5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0．9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

聚集状态下凝相颗粒的收集与测量

发展了一种可以收集燃烧室中聚集状态颗粒的方法，研制了收集实验装置。数值计算表明，通过改变实验装置的收敛角和实验状态参数可以模拟真实发动机中的颗粒聚集状态。利用该实验装置开展了聚集颗粒收集实验，实验工况模拟了某高过载发动饥在横纵向过载均为40g时的颗粒聚集状态。对实验收集到的颗粒进行了电镜分析，发现大颗粒是由多个小颗粒聚合而成，说明聚集状态下颗粒间碰撞聚合的概率大大增加。对粒径分布进行了半定量的统计，与非聚集状态下的发动机燃烧室中的粒径分布作了比较，证明聚集状态下粒径要比非聚集状态下的大得多。