固体火箭发动机燃烧不稳定性预估

本文以Culick线性理论为基础,提出预估固体火箭发动机燃烧不稳定性的方法,并给出一个算例.讨论了提高微粒阻尼预估精度和考虑平均流动影响的问题.首次提出用统计方法评定燃烧不稳定性、给出发生燃烧不稳定概率的方法,并讨论了这种统计方法的合理性和可行性.     

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.      

固体火箭发动机燃烧不稳定研究进展与展望

燃烧不稳定问题是今后相当长一段时间内固体火箭发动机燃烧流动领域需要解决的重要问题。由燃烧响应主导的燃烧不稳定问题具有很典型的非线性燃烧不稳定特征,是当前研究的重点与难点。采用非线性方法开展固体火箭发动机的非线性动力学分析,可以获得非线性燃烧不稳定的触发条件与稳定性区间,以及不稳定的增长过程和最终达到的极限环振荡状态。压强耦合响应、速度耦合响应、分布式燃烧、粒子阻尼和喷管阻尼是燃烧不稳定分析中重要的增益和阻尼项,在非线性燃烧不稳定分析中,这些增益与阻尼同样需要非线性表达式,需要开展精细的实验研究和理论分析,以获得更符合发动机实际工作状况的推进剂燃烧响应和铝分布式燃烧的非线性模型。深刻认识压强振荡增长过程中各阶模态间能量的传递规律,是揭示非线性不稳定触发机理和极限环形成过程的关键所在。在实验验证技术方面,需要建立起地面实验外部激励和飞试状态实际激励环境的等效分析方法,发展能够有效模拟实际飞行时发动机燃烧不稳定环境的地面等效模拟实验方法。     

采用固体燃料的超燃冲压发动机研究进展

对采用固体燃料的超燃冲压发动机构型方案进行了归纳总结,详细的介绍了不同构型方案的发展历程和研究现状.针对固体燃料构型、双燃烧室构型和固体火箭构型3种不同构型的工作特点,分析了各自的优势和存在的问题,并在此基础上对其后续的研究提出了建议.研究认为:固体燃料构型方案虽能实现固体燃料在超声速气流中的点火及稳定燃烧,但燃料燃烧效率较低,且难以长时间稳定工作;固体火箭构型方案有利于燃料的点火和稳定燃烧,可实现发动机的长时间稳定工作,具有更好的研究和应用前景.      

固体火箭发动机和固体推进剂的燃烧研究

本文系作者参加一九八三年六月廿七日至廿九日于美国西雅图召开的AIAA/SAE/ASME第十九届联合推进会议期间所了解到的有关固体火箭发动机和固体推进剂燃烧研究方面的情况。文章重点介绍了:一、不稳定燃烧研究;二、硝胺推进剂的燃烧;三、含铝推进剂的燃烧;四、固体推进剂燃速特性的研究。 近年来,美国为了适应固体火箭发动机研制的需要,通过它的研究机构和大学的研究实验室,继续不断地开展了不少燃烧和点火方面的研究。在这次联合推进会议上,固体火箭发动机和固体推进剂方面的文章有四十多篇,涉及到固体动力装置的各个方面。其中燃烧方面已经发表的文章有十多篇,反映了美国在这方面的研究动向。通过这次会议和会后参观乔冶亚理工学院空间工程系的实验室、斯坦福大学张以棣教授的实验研究工作,以及与宾西法尼亚州立大学Kuo K、K、教授座谈等活动,对美国在这方面的一部分情况有了一个粗浅的了解。现简要叙述如下。     

固体火箭发动机径向加质流局部稳定性分析方法研究

应用局部非平行流动稳定性理论研究了大长径比固体火箭发动机内的表面涡脱落现象.分析了由主变量公式和流函数公式导出的扰动方程的差异,以及流动参数对稳定性的影响,发现两种扰动方程对最不稳定波频率的预估值小于2％,且该频率沿流向逐渐增加.比较了基于空间发展模式的理论结果与大涡模拟计算结果,发现在不发生共振的情况下,理论方法可以较好地预估发动机内的流动不稳定频率.     

端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题研究

本文论述了端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题,总结和分析了端面燃烧固体火箭发动机产生爆炸的重要原因.实验表明:在选择端面燃烧装药的初始增面率时,采用木制假药柱和推进剂短药柱构成的装药会给实验结果带来很大的偏差,导致选出不合适的初始增面率,把它应用在相同尺寸的固体推进剂端面燃烧药柱中时,将会引起发动机产生爆炸.     

不同药型固液火箭发动机性能特点

根据平行层燃烧理论,推导了不同药型燃烧面积和燃烧边界长度随燃去肉厚变化的数学规律;在此基础上,建立了固液火箭发动机系统设计模型,将设计过程转化为数学模型;之后采用遗传算法对不同药型固液火箭发动机进行了优化设计.通过对优化结果的比较和分析,开展了不同药型应用于固液火箭发动机的性能特点及其机理的研究,指出了固液火箭发动机不同于固体火箭发动机的内弹道特性.      

某型液体火箭发动机燃烧不稳定性鉴定实验研究

采用脉冲枪装置,在液体火箭发动机燃烧室中产生燃烧波,对发动机燃烧过程进行人为激励;通过实验参数测量系统,测量激励前后燃烧室的脉动压力和机械振动频率等参数,分析燃烧室脉动压力的振荡衰减率,进行发动机燃烧不稳定性鉴定实验研究.结果表明:该型液体火箭发动机燃烧过程对脉冲扰动是稳定的.     

固体火箭发动机气体动力学发展的现状和方向

提纲式地阐述固体火箭发动机气体动力学,特别是二相流的发展和应用.认为气体动力学是固体火箭发动机理论设计、性能计算和专题研究的重要基础,流场计算已成为固体火箭发动机设计和研究中众所瞩目的中心问题.提出了固体火箭发动机流场计算一体化的观点.反应湍流边界层理论是固体火箭发动机气体力学的新领域.轴对称二相流的理论和实验研究已取得显著成果,但有必要继续进行和不断完善.工程应用迫切要求从速建立许多研究专题的二相模型.三维、二相、计算气体动力学是今后发展的方向;它与固体火箭发动机一体化工作过程的计算机图象显示相结合,将成为本世纪90年代及21世纪初的新水平.     

尾缘吹气稳定器初始雾化场实验及对燃烧计算的改进

利用激光测雾仪(PDA)对尾缘吹气式火焰稳定器尾缘出口的初始雾化场进行了实验研究, 在静止空气中测量了尾缘出口下游不同截面上的各点处的液滴直径、速度等参数, 分析了雾化场结构, 初步探讨了初始雾化场的特征.同时, 根据初始雾化场的实验结果给出燃烧数值模拟的初始雾化条件, 并把计算结果与燃烧实验数据和经验数值计算结果进行对比, 分析了实验初始雾化场数据对燃烧数值计算的改进效果.结果表明, 初始雾化场实验数据对燃烧室出口温度分布及燃烧效率的计算, 都有一定程度的改进, 其中对燃烧效率计算的改进效果更为明显.      

贫油预混预蒸发低污染燃烧室流场特性试验

采用粒子图像测速(PIV)技术测量带双环旋流多点燃油直接喷射(TAMI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场特性,试验相同进口条件下冷态及喷雾燃烧时流场结构,通过分析平均流场涡量、湍流强度及切应变率等特性参数来详细说明喷雾燃烧对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场的影响,并且研究了不同进口参数对其燃烧流场的影响.试验结果表明:①装有此头部的LPP低污染燃烧室喷雾燃烧流场回流区比冷态流场要小,并且平均流场特性参数在燃烧前后变化比较大;②随着进口油气比增加,中心回流区变短变胖;③随着进口空气量增加,回流区变窄变长.本试验所获得的流场特性结果可为低污染燃烧室的设计提供了一定的参考.      

雷诺应力模型在三维湍流流场计算中的应用

从雷诺应力模型出发,通过求解雷诺平均N-S方程组获得三维湍流流场的数值解。计算中比较了多种湍流模式,并进行了相应的流场计算。本文完成了两个典型算例。从算例1的计算结果与实验值比较中发现:采用雷诺应力模型(RSM)计算的三维流场比采用k-ε模型更贴近实验值;算例2采用了RSM模型及三维非结构网格,对一典型内流问题进行了三维流场计算。算例的数值实践表明:采用雷诺应力模型可以有效的计算各向异性的湍流流场;另外,发展非结构网格有助于模拟壁面附近的流动,并节省计算机内存。      

基于DES模型的超燃气动斜坡/燃气发生器方案仿真研究

采用基于剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型的分离涡(DES)方法和雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方法对超燃气动斜坡结合燃气发生器增进掺混方案进行数值仿真研究。通过对比DES仿真结果、RANS仿真结果与试验结果,发现DES仿真结果对流场内涡结构的捕捉和分辨能力强于RANS方法获得的结果。选取燃气发生器喷流形成的壁面涡流特征角为比较标准, DES仿真结果显示该角度为48°,RANS仿真结果为37°,而试验测得该角度为47°。可见DES仿真结果与试验结果更为接近,说明对于气动斜坡结合燃气发生器的超燃掺混方案,DES方法仿真结果是合理的。     

基于背景纹影技术的随机介质折射率场测量

针对光线通过复杂流场时产生的光传输效应问题，提出了基于背景纹影技术的复杂折射率场测量方法，给出了根据粒子图像偏移量求解折射率场分布的计算方法和推导过程，并对该方法的分辨率与灵敏度进行了理论分析。在此基础上，对火焰上方折射率场的分布进行了实验测量，利用粒子图像测量(PIV)技术对实验图像进行处理。结果表明:实验测量得到的空气折射率最大值为100029，最小值为100009，测量有效值小于00001。表明该方法具有较高的测量精度，能够有效实现复杂折射率场的实时精确测量。      

6种典型飞行器的RANS计算及大分离区域的DES分析

提出了一种将RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)与DES(detached eddy simulation)相结合计算流场的工程新算法,并用于第一代载人飞船Mercury、第二代载人飞船Gemini、人类第一枚成功到达火星上空的Fire-Ⅱ探测器、具有丰富风洞实验数据(来流Mach数从0.50变到2.86)的巡航导弹、高升阻比的Waverider(乘波体)以及具有大容积效率与高升阻比的CAV(common aero vehicle)等6种国际上著名飞行器的绕流计算.在流场计算中,采用分区技术,即首先对全流场采用RANS计算,然后对分离较大或者分离较严重的那些区域采用DES分析技术.文中所完成的6个典型算例总共63个工况的数值计算表明:仅在分离较大的区域采用DES分析技术,虽然从严格意义上讲这样的处理并非真正意义上的DES,但这样近似处理后所得到的流场数值结果(其中包括气动力和气动热)与相关实验数据较为贴近,并且流场的计算效率较全场进行DES计算时要高得多.      

贫油预混预蒸发低污染燃烧室头部流场研究

 通过数值与试验相结合的方法对一种带有多点燃油直接喷射/双环预混旋流(TAPS/MLDI) 燃烧室头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室冷态流场进行研究。采用粒子图像测速仪(PIV)试验研究不同火焰筒头部结构参数(值班级旋流器叶片安装角) 对LPP低污染燃烧室气流结构的影响。同时利用FLUENT软件对该低污染燃烧室进行数值模拟,所得的计算结果与试验数据比较吻合,表明所研究的LPP低污染燃烧室头部都存在中心回流区(PRZ)、角落回流区(CRZ)以及唇口回流区(LRZ),而且随着值班级旋流器旋流角度的增大,所得的中心回流区径向与轴向尺寸也相应增加。     

周期性湍流射流冲击下的传热与流场特征

实验研究了周期性变化的湍流射流冲击平板时的传热和流场特性,对实验现象和射流冲击强化传热机理进行了探索和分析。利用一个特殊的质量流量控制装置产生周期性的冲击射流,采用典型的正弦和矩形变化的射流,在不同频率下进行实验。研究表明,两种周期性射流冲击传热性能有很大差异,矩形冲击射流的传热性能优于正弦冲击射流,提高频率有助于射流冲击传热的强化。用粒子图像测速(PIV)技术对流场进行锁相实验测量,研究表明,在较高频率下,阶跃变化的矩形射流冲击时整个变化周期内平板表面处于强烈的冲击和涡流不断的产生和传播状态,从而能有效地强化对流换热过程。平缓连续变化的正弦射流的锁相平均速度场低于矩形射流,卷吸和冲击作用、涡流的形成和传播过程均没有矩形射流冲击下那么强烈,从而导致换热强化效果相对较弱。     

计算飞航导弹RCS的混合方法

本文提出了一种计算复杂形状物体RCS的算法。这个方法在应用物理光学原理求解散射场时,把散射体表面分割成许多小曲面元,用平面板块柔代替曲面元,求出板块元的散射场矢量之和作为物体散射场的近似值。由于求板块元散射场的积分运算转化成了代数运算,使这种方法具有运算速度快,应用灵活的特点。经与实际测量结果对比,计算结果是较为满意的。     

MAV Attitude Determination by Vector Matching

An attitude determination algorithm suitable for micro aerial vehicle (MAV) applications is developed. The algorithm uses Earth's magnetic and gravity field vectors as observations. The magnetic field vector measurements are obtained from a magnetometer triad. The gravity field vector is measured by fusing information from an accelerometer triad with GPS/WAAS (wide area augmentation system) velocity measurements. Two linearization and estimator designs for implementing the algorithm are discussed. Simulation and experimental flight test results validating the algorithm are presented.