基于数值定容弹方法的推力室阻尼特性研究

为确定推力室的声学振型频率及其阻尼特性,给出推力室最容易激发声学振型和最难衰减声学振型,建立了基于数值定容弹和半带宽法的推力室声学振型及其阻尼特性的数值模拟方法。对小推力姿轨控发动机推力室进行近圆周壁面的定容弹激励仿真,激发出了多模态的声学振型,其中,一阶切向振型为最容易激发振型,而一阶纵向振型为最难衰减振型。进一步讨论了推力室构型参数对其阻尼特性的影响,结果表明:随推力室内径增大,纵向振型得到抑制,而切向振型变得不易衰减;随推力室收缩比增加,一阶切向振型半带宽先增大后保持不变;随推力室圆柱段长度增加,各振型半带宽没有明显的变化趋势。     

基于数值定容弹方法的推力室阻尼特性研究

为确定推力室的声学振型频率及其阻尼特性，给出推力室最容易激发声学振型和最难衰减声学振型，建立了基于数值定容弹和半带宽法的推力室声学振型及其阻尼特性的数值模拟方法。对小推力姿轨控发动机推力室进行近圆周壁面的定容弹激励仿真，激发出了多模态的声学振型，其中，一阶切向振型为最容易激发振型，而一阶纵向振型为最难衰减振型。进一步讨论了推力室构型参数对其阻尼特性的影响，结果表明：随推力室内径增大，纵向振型得到抑制，而切向振型变得不易衰减；随推力室收缩比增加，一阶切向振型半带宽先增大后保持不变；随推力室圆柱段长度增加，各振型半带宽没有明显的变化趋势。     

有声腔推力室的声学振型及其阻尼特性研究

为确定多声学模态压力振荡条件下带有1/4波长管声腔推力室的声学振型及其阻尼特性,揭示1/4波长管声腔对推力室压力振荡的抑制作用机理,对有声腔推力室和无声腔推力室进行近圆周壁面的定容弹激励仿真,激发了多模态的声学振型,给出了推力室压力分布的时空演化,并采用半带宽法定量评价每个激发声学振型的阻尼特性。结果表明：1/4波长管声腔成功抑制了目标振型（一阶切向振型）压力振荡,大幅度减小其幅值,而不是大幅度增加其半带宽,但可能增强其它非目标振型的压力振荡。声腔通过削弱目标振型波峰波谷压力差、声腔入口漩涡和增加壁面面积等三种方式来抑制目标振型压力振荡,主要以前者为主,前者旨在降低目标振型幅值,后两者是增加其半带宽。     

基于数值定容弹方法的燃烧室声学特性研究

为确定给定构型燃烧室最容易激发的声学振型,提出了能够实现大幅值非特定频率的"数值定容弹"模型。圆柱体内声学振型频率的预测值与理论结果偏差在7%以内。对姿轨控发动机推力室进行了数值定容弹激励,给出了推力室压力分布的时空演化,获得了多声学模态压力振荡及其最容易激发的声学振型。进一步研究了收缩比对推力室声学特性的影响。结果表明:随着收缩比增大,一阶和二阶切向声学振型的幅值增加,但对应的频率基本保持不变;而一阶纵向和一切-一纵声学振型的幅值减小,但对应的频率增大,当收缩比较大时,一阶纵向和一切-一纵声学振型消失。可见,与短粗构型相比,细长推力室构型有利于抑制切向声学振型。     

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

有声腔燃烧室的声学特性实验

为了掌握声腔对燃烧室声学特性的影响规律,采用冷态实验方法,研究了带有轴向直圆孔声腔的模拟燃烧室的声学特性,其中声腔长度、开口面积比（声腔横截面积除以燃烧室横截面积）和个数均可调节.研究结果表明:燃烧室固有频率随声腔长度的增加而逐渐减小;声腔存在最佳深度,能够抑制一阶切向振型,该最佳深度不受声腔开口面积比影响,略小于1/4一阶切向波长;对抑制一阶切向振型而言,声腔存在最佳开口面积比,在本研究中约为0.17;声腔的分布对燃烧室的声学特性影响较大,相同开口面积比下,声腔个数越多,声波衰减越快.      

声学扰动对燃烧室声学特性的影响研究

针对利用旋转齿轮对燃烧过程施加高频声学扰动的方法,为获得其对同轴离心喷嘴燃烧室声学特性的影响,设计了一种带辅喷管的单喷嘴扁平燃烧室,分别在冷试和热试工况下研究了旋转齿轮声学扰动装置对燃烧室声学特性的影响。冷试中当扰动频率等于燃烧室某振型的特征频率时燃烧室内出现驻波特征振荡。热试重点关注了煤油蒸气/富氧空气燃烧过程对声学扰动的响应,改变扰动装置的位置可改变声压波节线的方向,实现推进剂喷入位置为声压波腹或声压波节。研究表明,一阶切向声学振荡对同轴离心喷嘴与声压波腹的相对位置敏感,煤油蒸气/富氧空气燃烧过程易受声压波动的影响,推测液氧煤油补燃循环发动机内的高频燃烧不稳定性可能易被声压波动激发。     

推力室中压力剧烈振荡区域的燃烧特性分析

在不施加任何扰动的情况下,对液氧/煤油双组元液体火箭发动机模型燃烧室进行三维非稳态数值模拟,获得了其中的压力自激振荡现象。基于定义的能够辨识定容和定压燃烧特征的第三邓克尔数分析了压力剧烈振荡区域的燃烧特性。结果表明,在压力剧烈振荡区域内,第三邓克尔数取值很大,即发生了准定容燃烧或介于定容和定压之间的燃烧过程。可见尽管液体火箭发动机燃烧室整体表现为定压燃烧特性,但在头部附近区域出现了局部具有非定压特性的燃烧过程,其产生的压力膨胀波来不及迅速传播而使当地的压力迅速升高,形成了定容弹效应,从而导致了燃烧不稳定性的发生。该压力峰的传播及其与室壁相互作用在燃烧室中产生声学不稳定性,与研究燃烧不稳定性的定容弹试验机理相同。     

钛合金薄壁空心结构阻尼特性研究

研究了测试参数对常用阻尼特性测试方法测试结果的影响规律,分析表明自由衰减法测试数据分散性小,半功率带宽法测试数据分散性大并且受测试参数选取影响较大。基于优化后的测试参数对比分析了钛合金薄壁空心、实心结构阻尼特性,研究发现振幅较小时两类结构阻尼特性接近,一阶振型下的模态阻尼在2×10-4量级,高振幅条件下空心结构阻尼比较大,振幅为10mm时阻尼为3.577×10-3,是振幅为3.0mm时阻尼的1.20倍,表明空心结构内部结构特征在大变形条件下可以提供额外阻尼,合理利用这一特征对提高结构性能具有重要意义。     

考虑喷注流强分布的纵向稳定性建模与分析

喷注器流强分布是除声学阻尼装置以外使液体火箭发动机稳定工作的重要措施,通过控制喷注流强分布使推进剂的燃烧尽量远离主要振型的波腹区,减少热声耦合振荡的能量源,从而达到抑制高频振荡的效果。因此,建立喷注流强分布与稳定性之间的综合分析模型,研究流强分布的不稳定性抑制特性具有重要实际意义。针对采用自击式喷嘴器、液滴蒸发作为燃烧速率控制过程的某自燃推进剂缩尺燃烧室高频纵向燃烧不稳定问题,近似采用蒸发速率峰值区代替集中燃烧释热区,引入燃烧室三维声学控制方程以考虑多喷嘴条件下燃烧响应空间分布,建立了针对喷注器流强分布条件下的高频纵向燃烧稳定性分析模型,并对喷注流强的稳定性抑制特性进行了分析,给出了不同分布流强下燃烧室一阶纵向信号的增长率变化规律。研究表明,喷注流强分布有利于燃烧室稳定,"驼峰区"喷注孔径的增大对改善高频纵向不稳定性更为显著,"驼峰区"流强增加30%,相应的增长率降低15%。     

Numerical evaluation of acoustic characteristics and their damping of a thrust chamber using a constant-volume bomb model

In order to numerically evaluate the acoustic characteristics of liquid rocket engine thrust chambers by means of a computational fluid dynamics method, a mathematical model of an artificial constant-volume bomb is proposed in this paper. A localized pressure pulse with a very high amplitude can be imposed on specified regions in a combustion chamber, the numerical procedure of which is described. Pressure oscillations actuated by the released constant-volume bomb can then be analyzed via Fast Fourier Transformation (FFT), and their modes can be identified according to the theoretical acoustic eigenfrequencies of the thrust chamber. The damping performances of the corresponding acoustic modes are evaluated by the half-power bandwidth method. The predicted acoustic characteristics and their damping for a special engine combustor agree well with the experimental data, validating the mathematical model and its numerical procedures. A small-thrust liquid rocket engine chamber is then analyzed by the present model. The First Longitudinal (1L) acoustic mode can be excited easily and is hard to be damped. The axial position of the central constant-volume bomb has little influence on the amplitude and damping capacity of the First Radial (1R) and 1L acoustic modes. Tangential acoustic modes can only be triggered by an off-centered constant-volume bomb, among which the First Tangential (1T) mode is the strongest and regarded as the most harmful one. The amplitude of the 1L acoustic mode is smaller, but its damping factor is larger, as a constant-volume bomb is imposed approaching the injector face. These results are contributed to evaluate the acoustic characteristics and their damping of the combustion chamber.     

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.      

燃烧室中的非线性声波

采用计算流体力学（CFD）方法对燃烧室一维冷流和两维燃烧过程进行了数值仿真，着重研究了温度、密度、熵等变量的脉动与压力脉动的区别，以及喷射过程与声学振型的耦合，结果表明，压力和速度主要表现声特征，温度和密度部分表现声特征，部分表现流特征，而熵则只表现流特征，对于化学反应过程激发的燃烧振荡，最容易受到激发的振型是压力波腹与化学反应分布相关最强的振型。     

Influence of thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations

Vortex-acoustic coupling is one of the most important potential sources of combustion instability in solid rocket motors (SRMs). Based on the Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) experimental motor, the influence of the thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations is numerically studied via the large eddy simulation (LES) method. The simulation results demonstrate that vortex shedding is a periodic process and its accurate frequency can be numerically obtained. Acoustic modes could be easily excited by vortex shedding. The vortex shedding frequency and second acoustic frequency dominate the pressure oscillation characteristics in the chamber. Thermal inhibitor position and gas temperature have little effect on vortex shedding frequency, but have great impact on pressure oscillation amplitude. Pressure amplitude is much higher when the thermal inhibitor locates at the acoustic velocity anti-nodes. The farther the thermal inhibitor is to the nozzle head, the more vortex energy would be dissipated by the turbulence. Therefore, the vortex shedding amplitude at the second acoustic velocity antinode near 3/4L (L is chamber length) is larger than those of others. Besides, the natural acoustic frequencies increase with the gas temperature. As the vortex shedding frequency departs from the natural acoustic frequency, the vortex-acoustic feedback loop is decoupled. Consequently, both the vortex shedding and acoustic amplitudes decrease rapidly.     

低压工况下10N姿控推力器燃烧室工作过程仿真

描述了发动机燃烧室工作过程仿真模型的主要参数,应用此模型对10N推力器在不同供应管路压强条件下燃烧室的脉冲工作过程进行了仿真.对比分析了长脉冲和短脉冲两种工作模式下管路压强逐渐降低时燃烧室压强、推力等参数的变化规律.通过长脉冲工况的仿真理论推力与实验测量推力反推出管路压强为1.48,1.0,0.6MPa时推力效率分别为94%,91%和90%.短脉冲工况仿真结果表明:管路压强为0.4MPa时推力器已经无法正常点火,应避免推力器工作于此工况.d:\PDF\.pdf      

火箭发动机泵后供应系统水力激振试验

为了研究某型发动机泵后供应系统的动力学特性,对全尺寸的氧泵后供应系统在中、高频范围内开展了水力激振试验。试验数据表明:供应系统的谐振特性被激发起来。在试验条件下,可以清晰地辨识出泵后供应系统的前4阶谐振频率和振型。第1阶谐振频率响应幅值最高,第2阶和第3阶相当,响应幅值次之,第4阶响应幅值再次之。在外界扰动下,该发动机泵后供应系统能够较容易地达到流体谐振状态,当外界扰动频率接近其谐振频率时,供应系统沿程脉动压力出现了明显的共振波形。在不同的谐振频率下,喷前腔位置均为压力振荡的波节位置,也即为流量振荡的波腹位置。      

气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响

为了掌握气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响规律以及解释声学实验中出现的切向频率分化现象的内在机理,采用声学有限元方法(FEM)并在单喷嘴声学模拟实验验证的基础上,从固有频率和声压分布角度分析了气喷嘴长度、声腔长度和节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,利用声压分布成功地解释了实验中出现的频率分化现象。结果表明:当燃烧室某阶切向振型频率与喷嘴1阶纵向振型频率相等时,喷嘴由于共振将切向振型声压幅值极值点附近的能量转移到喷嘴中,改变了燃烧室原切向振型的声压分布,因此在声学实验中产生切向频率分化现象；气喷嘴长度与节流嘴直径之间存在着耦合关系,在液氧煤油补燃发动机喷嘴设计阶段可进行组合参数匹配优化。      

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.