含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

外侧面燃烧固体燃料冲压发动机燃烧室流场的数值研究

为研究外侧面燃烧固体燃料冲压发动机燃烧室流场及燃面退移速率的特点,在Fluent平台上完成了内孔、外侧面燃烧SFRJ的燃烧室内燃烧流场的数值计算。在所涉及的工况中,计算结果表明:外侧面燃烧的SFRJ中,再附着点之前,燃面退移速率较大,来流空气质量流率150g/s,总温600 K时,最大燃面退移速率比内孔燃烧增大43.5%;再附着点之后,燃面退移速率快速减小;随着来流空气总温的减小,固体燃料末端的燃面退移速率开始沿轴向增大;随着来流空气质量流率的增大,燃面退移速率开始增大的位置不断前移,而其增大速率不断减小;因大部分区域内燃面退移速率较小,导致其平均燃面退移速率比内孔燃烧减小21.9%至40.5%;外侧面燃烧的推力比内孔燃烧的小,但比冲相差不大;补燃室及喷管表面处流场温度比内孔燃烧低500~1000 K。     

旋流与炭黑对聚乙烯固体燃料冲压发动机工作性能的影响

为探究旋流与添加炭黑对聚乙烯推进剂固体燃料冲压发动机工作性能的影响,采用实验和数值仿真相结合的方法进行研究。结果表明:在聚乙烯中加入质量分数为5%的炭黑可以提高补燃室压强和温度,增大燃烧室内高温区面积,且对推进剂燃烧效率、发动机工作性能以及发动机燃烧稳定性具有积极作用。与聚乙烯推进剂相比,含炭黑推进剂在无旋工况下可使发动机平均燃面退移速率提高15%,特征速度提高4%,推力提高11%。在旋流工况下,添加炭黑可使推进剂平均燃面退移速率提高29%,特征速度提高8.5%,发动机推力提高22.3%。结果表明:在添加炭黑和旋流的共同作用下,对发动机工作性能提升更加明显。相比于无旋工况而言,旋流的引入有助于燃气与来流空气的掺混,提高推进剂燃烧效率,对推进剂燃面退移速率提升具有积极作用。     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室初步实验研究

设计并搭建了一个小型直连式试车台,开展了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的初步实验研究。加热器提供的燃烧室入口总压与总温分别为2.2MPa与1600K,试验证明了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室在没有外部辅助条件下能够实现自点火和稳定燃烧。实验结果表明,燃面退移速率沿轴线先增大后减小,在凹腔和等直段交界处达到最大值,其峰值超过2 mm/s。随着燃烧进行,燃烧室通道扩大,凹腔与等直段压强下降较快。由于扩张比逐渐减小,扩张段内压强变化比较平稳。实验研究了采用突扩台阶进行火焰稳定的燃烧室构型,结果表明突扩台阶不适合作为固体燃料超燃冲压发动机的火焰稳定器。     

碳黑对固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性影响

为研究含碳黑推进剂对固体燃料冲压发动机(SFRJ)旋流燃烧特性的影响,以高密度聚乙烯和含碳黑聚乙烯为推进剂,使用直连式实验系统对冲压发动机进行了旋流和无旋工况的实验研究。并根据实验所获的数据进一步计算得到不同工况下SFRJ工作性能参数。结果表明与聚乙烯(PE)固体燃料相比,含5%碳黑的聚乙烯推进剂可以有效提高固体燃料的燃速、特征速度和推力。在旋流工况下,固体燃料冲压发动机补燃室压强和温度也相应提高,燃烧稳定性增强。同时,在对燃烧室构型进行实验研究时发现,固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性和燃烧效率会随药柱内径的增大而提高,而发动机平均燃速则会随着药柱内径的增加而降低。     

固体燃料超燃冲压发动机燃速研究进展

对固体燃料超燃冲压发动机燃烧面退移速率（简称燃速）研究现状和进展进行了详细阐述,分别从固体燃料类型、燃烧室构型、理论预估模型、数值模拟及实验研究等方面出发,论述了固体燃料在超声速流动下燃速研究的进展和难点;从亚燃冲压发动机、热防护层、富氧环境下绝热层烧蚀3个方面提炼出可以用于超燃冲压发动机燃速研究的经验和方法:①提出了加强针对固体燃料超声速流动中受热行为、传热传质过程的研究方向;②深入探索了固体超燃燃速性质;③开发了对应的数值软件及系统地进行实验等观点,为国内该领域的研究提供参考.      

等直段直径对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

为了研究燃烧室内等直段直径的尺寸对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能及流场特性的影响,基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,对不同等直段直径燃烧室工作过程进行数值模拟。采用基于压力的二阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation),湍流模型采用SST k-ω模型。PMMA燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分析不同等直段直径下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化。数值模拟结果显示:随着等直段直径的增大,燃烧室可由壅塞状态转变为超声速流动状态,增大至某一数值(约为16.5mm)附近时,燃烧室出口可以达到完全膨胀状态。同时,燃烧室的燃烧效率逐渐增大,出口处燃烧效率由62.45%增大至72.74%。总压损失也逐渐增大,出口处最大值可达52%,而燃烧室推力逐渐减小。     

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.      

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性数值研究

为了研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,使用数值模拟方法计算了不同旋流数下的燃速、燃烧效率、推力与比冲。固体燃料为丁羟,燃烧采用总包反应与涡团耗散模型。当旋流数小于临界旋流数时,无需将旋流器出口伸入燃烧室,突扩台阶回流区即可稳定火焰;当旋流数大于临界旋流数后,须将旋流器出口伸入燃烧室一段距离,使火焰稳定在这一段区域内。旋流状态燃烧效率低于直流状态,在考虑了旋流产生的总压损失后,发动机推力与比冲也低于直流状态。     

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性试验

为研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,进行了直流与旋流对比直连式试验。固体装药内径40mm,长180 mm,成分为HTPB中加入65%的金属粉末。试验发动机采用火炬式点火器点火,空气由燃烧补氧式空气加热器加热至690 K,热空气流量300 g/s。试验测量了压力、推力等参数,使用监控录像对发动机尾焰进行拍摄,通过测量试验前后装药质量差获得固体燃料平均燃速。旋流试验未将旋流器伸入燃烧室即实现了火焰稳定,且旋流燃烧比直流燃烧表现出更好的稳定性,平均燃速较直流提高近50%。旋流燃烧尾焰存在明显的径向扩张,表明尾焰仍有切向动量,损失了部分推力。     

HTPB固体燃料冲压发动机流场仿真与燃速分析

基于守恒方程建立了固体燃料冲压发动机燃速仿真模型,采用二维轴对称模型和二方程化学反应模型开展了HTPB(端羟基聚丁二烯)固体燃料冲压发动机流场数值仿真,分析了不同空气来流条件对流场分布及燃速的影响.结果表明:火焰层在氧气和固体燃料壁面之间形成,随着来流空气流量和空气总温的增加,火焰层厚度变薄并向固体燃料壁面侧移动;随着发动机轴向位置的增加,燃速先迅速增加后缓慢增加,最后在补燃室附近快速减小,变化趋势与文献中试验结果吻合较好;固体燃料平均燃速随来流空气总温及发动内空气流率的增加而增大,并根据仿真结果拟合得到了燃速公式.      

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

水冲压发动机地面直连试验技术研究

建立了垂直进水的水冲压发动机地面直连试验系统。采用垂直进水方式,消除了进水冲量对轴向推力的影响。通过在进水管路上安装汽蚀文氏管,解决了发动机试车过程中流量不稳的问题。基于含镁量50%的固体推进剂,对某型水冲压发动机进行了两组不同水燃比的地面直连试验,试验过程中采集了发动机燃烧室压强、进水流量和发动机推力等数据。对两组试验数据的燃烧效率和比冲分析表明,水燃比的适量增加,有助于发动机性能提高。该试验结果符合之前的理论预估,证明了水冲压地面直连试验技术的有效可行。     

燃料引射方式对超燃冲压燃烧室混合及燃烧效率的影响

应用含组分守恒方程的质量平均Navier Stokes方程和B L代数湍流模型,数值模拟了后台阶构型燃烧室在采用台阶上游支板引射和壁面垂直引射燃料时的内部流场。在计算过程中,对方程的对流项采用空间为二阶精度的TVD格式,扩散项则采用二阶中心差分离散。通过流场计算,对比研究了引射方式对燃料混合性能的影响。结果表明,台阶上游的支板在燃烧室的流场中产生了一对相对稳定的大尺度轴向旋涡,该旋涡不利于燃料的混合。采用壁面垂直引射时,在喷嘴下游的燃料流场中产生了小尺度轴向旋涡,该旋涡是提高燃料混合及燃烧效率的关键。     

旋流对固体燃料冲压发动机燃烧过程的影响

针对旋流数对固体燃料冲压发动机燃烧流场的影响，进行了不同旋流数(s=0,0.2,0.4,0.6)工况下固体燃料冲压发动机直连式试验研究，固体燃料采用高密度聚乙烯（HDPE），并对s=0.6和s=0两个工况进行数值仿真研究.试验和数值仿真结果表明:旋流的引入有助于火焰稳定，对提高补燃室压强和燃速有积极作用.在旋流工况下会使药柱表面热流密度高于无旋流，并使燃烧室中的化学反应更加充分.高强度旋流的引入会使燃烧更加充分，燃烧效率有所提高.      

固体燃料冲压发动机内旁路分气流场数值模拟

为了调节固体燃料冲压发动机推力,提出了一种内旁路分气结构型式,采用数值模拟方法对该结构的流场进行了分析。研究发现,可以通过改变旁路进气量调节发动机推力,而且旁路进气使补燃室头部出现对称旋涡,对增强燃烧较为有利。内旁路分气结构不需要采用后置旁侧进气道,可有效减小导弹体积、质量与阻力,在中小型发动机上具有较好的应用前景。