固体火箭发动机燃烧稳定性预估的三维通用计算方法

针对一个变截面开槽管状装药单室双推力发动机，讨论如何应用三维声学有限元分析来确定燃烧室内腔的声学特性，以及在此基础上进行发动机燃烧稳定性预估的三维计算方法，目的是为研制部门提供通用的软件。应用本文编制的计算程序进行试算的结果表明：（１）燃烧室内腔前１０阶固有振型的预估误差不大于３％；（２）该发动机的燃烧稳定性接近临界状态，与地面试车情况定性一致。最后，还就声学分析的验证，减少占用内存及计算机时，以及预估方法的进一步改进等问题做了必要的讨论。     

某型航空发动机环形燃烧室火焰筒声学模态分析

燃烧不稳定不仅影响航空发动机的工作稳定性,而且还是造成燃烧室火焰筒薄壁结构声振耦合疲劳破坏的重要原因.燃烧不稳定性的非稳态运动与燃烧室火焰筒的固有声学振型密切相关,因此对燃烧室火焰筒进行声学特性分析具有重要意义.为此建立了航空发动机环形燃烧室火焰筒声学有限元模型,分析了燃烧室火焰筒的声学特性.分别对常温常压下和高温高压下燃烧室火焰筒的声学模态进行了分析,获得了相应的声学固有频率和振型,为发动机燃烧室结构抗疲劳设计提供了参考.     

高马赫数超燃冲压发动机性能数值研究

考虑水平起降要求,构造了一种采用流线追踪内转式进气道、圆形截面燃烧室的双侧布局高马赫数超燃冲压发动机,设计点马赫数为7。对Ma 7~10范围内的发动机性能进行了数值模拟,给出了发动机进气道性能、整机性能,对燃烧室内的燃料掺混和燃烧情况进行了分析。此外,采用一维性能计算方法对燃烧室性能进行了预估。研究表明,此发动机性能可满足飞行器推阻匹配需求;一维性能结果与三维数值模拟的压力分布处于15%的误差范围内,可用于发动机性能的快速预估。     

固体发动机压强-时间曲线中燃烧时间的确定

以固体推进剂燃烧公式为基础，采用计算力学中的数值积分及插值法，并利用计算机技术，研究了用燃烧室药柱的实际肉厚，确定固体火箭发动机试验曲线中燃烧时间的新方法，在点火发动机中应用的结果表明，此方法解决了试验曲线数据处理结果散布范围较大的问题，提高了燃速预估的准确性。     

低热值气体燃料燃烧室数值模拟与试验研究

以某型航空发动机燃烧室为研究对象,对低热值燃料燃烧室进行了数值模拟和试验研究。采用RNGk-ε模型、小火焰紊流燃烧模型和P-1辐射模型,预估了紊流特性、化学反应速率和辐射通量;应用SIMPLE算法,对离散方程进行求解。计算结果与试验数据比较表明二者基本吻合,这说明计算方法合理,可用来估算低热值燃料燃烧室的燃烧性能。     

大涡模拟模型燃烧室燃烧性能计算

对带双级扩压器的模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程,在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法进行数值研究,同时采用多维经验分析法预估燃烧性能.采用 k 方程亚网格尺度模型模拟亚网格湍流黏性;亚网格EBU(eddy-break-up)燃烧模型预估化学反应速率;多维经验分析法计算燃烧性能;并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法对控制方程进行求解,液相采用随机离散模型,两相之间的耦合采用PSIC(particle-source-in-cell)算法.通过大涡模拟瞬态及时均计算结果表明:与粒子图像测速仪(PIV)测量的瞬态速度场、出口温度分布试验数据吻合,表明在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法,数值模拟模型燃烧室两相喷雾燃烧流场,所采用的亚网格模型可以用于燃烧室气液两相喷雾燃烧流场的大涡模拟;燃烧性能计算结果与试验测量结果基本一致,说明所采用多维经验分析法可以用来数值模拟航空发动机燃烧室燃烧性能的计算,特别是污染物的预估,为设计低污染高性能航空发动机燃烧室提供有用的设计依据.      

基于声学特征信号提取的燃烧不稳定性试验研究

为研究航空发动机燃烧不稳定时的声学特征,对发动机燃烧室进行了燃烧不稳定状态下的声学测试试验。测试结果表明,燃烧不稳定现象发生时会伴随着明显的离散单音声学特征信号出现。采用特征频率信号加强的奇异值分解法对离散单音声学特征信号进行提取及分析,得出该型发动机燃烧室不稳定燃烧时的声源位置位于火焰筒内的火焰区域,声波传播为纵向传播,声模态为一阶纵向模态。可为今后航空发动机燃烧不稳定性研究提供参考。     

液体火箭发动机中频耦合振荡初步研究

为了研究常规液体火箭发动机研制中出现的中频流量型耦合振荡问题,对发动机耦合系统中各环节建立了满足声学分析的线性化频域模型.通过比较供应系统和燃烧室的幅频响应,并分析耦合系统的自由振荡复频率,以判断发动机的耦合稳定性.计算结果符合发动机试车规律,能够有效地反映该类型不稳定的特征.进一步讨论了燃烧时滞、喷注压降、管路长度和安装节流圈对系统耦合不稳定的影响规律,并揭示了该类型不稳定的机理.     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

大过载对固体火箭发动机粒子阻尼的影响

针对大过载条件下(30 g)固体火箭发动机粒子阻尼预估问题,采用离散元法(DEM)对大过载下固体火箭发动机内的粒子阻尼开展了数值模拟研究工作.通过考虑粒子空间分布的粒子阻尼预估方法来计算不均匀分布下的粒子阻尼,进而分析获得了过载下燃烧室内不同直径粒子的空间分布及阻尼特性.研究结果表明:30 g的大过载会显著影响燃烧室内...     

复杂装药固体火箭发动机工作过程中阻尼特性分析

为了获得复杂装药发动机工作过程中阻尼特性的变化规律，首先利用有限元分析方法对不同工作时刻时的燃烧室声腔结构进行了数值仿真计算，得到复杂装药发动机工作过程中的声模态及其变化规律；基于此，计算并分析了复杂装药发动机装药燃烧过程中常见阻尼因素的变化规律，结果表明，喷管阻尼系数与壁面阻尼系数占总阻尼系数百分比逐渐减小，相反微粒阻尼系数占总阻尼系数的百分比逐渐增大，在发动机工作后期,发动机阻尼系数最小，从而导致发动机后期的工作稳定性较差，小扰动易被扩大为大扰动; 在发动机的所有阻尼中，喷管阻尼在发动机工作初期起主导作用，而微粒阻尼在工作后期起主导作用。     

固体火箭发动机反向喷管推力终止过程的压力冲击问题

本文介绍一个反向喷管推力终止的冷模拟实验.实验表明,突然打开固体火箭发动机反向喷管后,燃烧室中可能出现强烈的压力冲击,这种压力冲击来自喷管喉部节流和形成准稳态流动之前的非定常过程.本文对这一效应做了估算.用特征线法及激波拟合法进行了一维非定常流动的数值分析.预估的压力-时间曲线与实验结果相当一致.     

某固体火箭发动机工作末期不稳定燃烧

针对某固体火箭发动机工作末期出现的压力振荡现象开展了数值研究与线性预估.通过有限元方法得到了燃烧室空腔的声模态及固有声振频率,轴向1阶与2阶声振频率随燃面退移先减小后增大;利用大涡模拟方法分析了燃烧室内的流场特性及压力振荡特性,振荡频率与试验结果一致,判定该发动机出现了以轴向1阶声振频率为主导的不稳定燃烧;其次分析了发动机内阻尼特性,其阻尼随燃面退移不断减小;最后通过不稳定燃烧线性理论解释了该发动机工作末期出现压力振荡的机理,表明燃面退移过程中喉通比下降是导致发动机由线性稳定转向线性不稳定状态的关键因素.      

固体火箭发动机的能量管理技术研究

介绍了固体火箭发动机的能量管理技术对于提高战术导弹射程、命中精度等方面的作用,针对隔板式能量管理技术,分别对美国、加拿大、日本、德国等国的代表性研究方案进行了评述,指出了今后的研究方向。     

固体火箭发动机内弹道性能预示的一种方法

介绍一种在固体火箭发动机药型及其尺寸一定的条件下,利用发动机静止点火试验结果预示其内弹道性能的方法。利用这一方法,可以计算在概率条件下发动机的内弹道参数及总体参数的散布。     

大过载下固体火箭发动机内弹道计算

大过载会对固体火箭发动机装药燃烧产生很大的影响。采用基于加速度的装药燃速增强模型,通过水平集(Level set)算法对非均匀燃速下的复杂燃面非平行层推移过程进行计算,得到了大过载下的内弹道性能.计算结果表明:过载对发动机内弹道影响不大,在过载作用方向上装药燃速增加,可能导致装药出现偏烧,绝热层提前暴露,造成该处烧蚀加剧.      

旋转固体火箭发动机一维内弹道计算

给出了带“锥－柱形”装药的旋转固体火箭发动机的一维内弹道计算方法，其燃速计算采用分析方法，喷管流量采用等熵旋转喷管流的简化方法。所得结果和旋转试车台上实测的实验结果吻合较好，计算和实验表明，“锥－柱形“装药呈现较大速度效应。文中提供了计算方法具有较高预示精度，可推广到其它药型旋转发动机的内弹道计算，对旋转发动机设计具有指导作用。     

Numerical simulation of multi-phase combustion flow in solid rocket motors with metalized propellant

Multi-phase flowfield simulation has been performed on solid rocket motor and effect of multi-phases on the performance prediction of the solid rocket motor(SRM) is investigation.During the combustion of aluminized propellant,the aluminum particles in the propellant melt and formliquid aluminum at the burning propellant surface.So the flow within the rocket motor is multi phase or two phase because it contains droplets and smoke particles of Al2O3.Flowsi mulations have been performed on a large scale motor,to observe the effect of the flowfield onthe chamber and nozzle as well.Uniform particles diameters and Rosin-Rammler diameter distribution method that is based on the assumption that an exponential relationship exists betweenthe droplet diameter,dand mass fraction of droplets with diameter greater thandhave been used for the si mulation of different distribution of Al2O3 droplets present in SRM.Particles sizes in the range of 1-100μm are used,as being the most common droplets.In this approachthe complete range of particle sizes is dividedinto a set of discrete size ranges,eachto be defined by single streamthat is part of the group.Roe scheme-flux differencing splitting based on approxi mate Riemann problem has been used to si mulate the effects of the multi-phase flowfeild.This is second order upwind scheme in which flux differencing splitting method is employed.To cater for the turbulence effect,Spalart-All maras model has been used.The results obtained show the great sensitivity of this diameters distribution and particles concentrations to the SRMflowdynamics,primarily at the motor chamber and nozzle exit.The results are shown with various sizes of the particles concentrations and geometrical configurations including models for SRM and nozzle.The analysis also provides effect of multi-phase on performance prediction of solid rocket motor.     

自燃推进剂火箭发动机燃烧不稳定性研究

发展了自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）火箭发动机燃烧不稳定性的综合分析模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,研究了燃烧不稳定性的机理,提出了轴向声腔模型并对其抑制不稳定燃烧的特性进行了数值模拟研究,得到了声槽特性频率驿燃烧不稳定性的影响规律,描绘出声腔影响燃烧不稳定性的具体场景,数值模拟结果与理论分析及试车结果是相符的,对轴向声槽的分析设计将具有广泛的指导意义。