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。     

旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机药柱表面传热以及燃速的影响

为研究旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机(SFRJ)药柱表面传热以及燃速的影响,以高密度聚乙烯(HDPE)为燃料,对旋流和无旋工况下的固体燃料冲压发动机进行了连管实验研究,并且编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序,采用流固耦合传热的方法以及非定常时间推进方式,对实验工况进行了数值模拟。结果表明:①药柱表面热流密度对燃速有显著影响,在回流区与附着点处,药柱表面的对流换热能力要明显优于再发展区;②在旋流工况下,在离心力与切向速度的作用下,使热解产物在药柱表面附近区域停留时间更长,有助于热解产物的充分反应,并且明显增强药柱表面对流换热能力,与无旋工况相比,提高幅度可达100%,并且在旋流工况下发动机可更快建立自持燃烧;③通过实验研究发现,旋流的引入提高发动机的燃速有积极作用,增幅可达26%,但会导致固体燃料冲压发动机补燃室压强出现周期性振荡。      

固体燃料冲压发动机燃速理论分析与数值模拟

从理论和数值模拟两方面探讨了固体燃料冲压发动机 (SFRJ)燃速影响因素, 给出了平均燃速与入口空气流量、空气温度以及燃烧室压强之间的指数关系式, 同时考虑了燃速沿轴向的变化。与实验数据的比较表明, 本文提出的模拟方法是正确而且可靠的。所得结果对于固体燃料冲压发动机设计和实验均具有一定指导意义。      

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.      

推进剂组分对固体燃料冲压发动机性能的影响

为研究不同组分推进剂对固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃烧性能的影响,以添加了石蜡、炭黑以及炭纤维的聚乙烯(PE)为推进剂,采用连管点火实验装置对SFRJ进行了研究。用扫描电镜观测了燃烧后的燃面形貌。用三维扫描仪和数据重构方法获得了燃速三维分布。根据实验所获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:加入5%的炭纤维会阻碍聚乙烯基推进剂燃烧表面的机械剥蚀,影响热解过程,使其无法自持燃烧。通过燃速三维分布发现了开尔文-亥姆霍兹不稳定现象。在聚乙烯基推进剂中添加炭黑和石蜡均能够提高燃速,石蜡影响更明显。石蜡质量分数为30%、50%以及纯石蜡的推进剂比聚乙烯分别提高了375%、514%和544%。最后拟合得到了聚乙烯基推进剂平均燃速与石蜡质量分数呈指数递增关系。     

旋流燃烧室构型对固体燃料冲压发动机自持燃烧性能影响

为研究燃烧室构型对引入旋流的固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃烧特性的影响,通过改变药柱内径以改变相对台阶高度,利用高密度聚乙烯(HDPE)为固体燃料,对4种不同相对台阶高度的冲压发动机进行了旋流和直流连管实验,其中旋流工况的旋流数为0.6。利用Fortran语言编制CFD计算程序,对其中多个旋流工况进行了数值模拟,利用相关实验验证了计算程序的可靠性。仿真以及实验结果表明,在旋流工况下,相对台阶高度对火焰稳定以及燃烧特性有显著影响,当相对台阶高度为1.5时,旋流工况下发动机无法自持燃烧;在1.75相对台阶高度工况下,药柱表面热流密度与燃速均高于其他工况,且药柱平均燃速以及药柱表面热流密度会随相对台阶高度的升高而降低,最终趋于平缓;相对台阶高度的改变对特征速度与推力的作用不大,而在无旋工况下,特征速度和推力则随相对台阶高度的增加而增加。     

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.      

采用N_2O与含金属HTPB燃料固液火箭发动机燃速试验研究(英文)

为了研究含金属固体燃料固液火箭发动机的燃速及发动机的工作特征,采用N2O氧化剂与含Al,Mg和C的HTPB基固体燃料的固液发动机进行试验研究与分析,试验在3种尺寸药柱、多种氧化剂流量下进行,获得发动机的燃速、燃烧室压强及燃烧效率等参数。为分析辐射换热对燃速的影响,把燃速分成两部分并提出相应的分析式:一部分由对流换热控制的燃速,由通过药柱通道的总质量流率来衡量;另一部分由辐射换热控制,通过燃烧产物中凝相组分对固体燃料壁面的辐射换热量决定。对试验结果进行分析发现,除富氧的情况外,热辐射控制的燃速约占总燃速的30%~60%,辐射控制燃速与对流控制燃速的比例趋势与燃烧产物中凝相组分的质量分数随氧燃比的变化规律相似。同时,试验结果显示,试验燃速总体上随着固体药柱通道中氧化剂质量流率的增加而增大。发动机的燃烧效率绝大多数位于80%~97%的范围,在化学当量比附近和富氧范围内,随着燃烧温度的降低而降低,效率曲线与理论绝热燃烧温度值的平方相似。     

带有中心钝体的固体燃料冲压发动机工作性能分析

为提高固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能,提出了带有中心钝体的固体燃料冲压发动机方案,基于雷诺转捩和涡概念耗散方程建立了其湍流燃烧模型,并数值计算分析了其内流场、燃面退移速率、推力与总压损失。结果表明：带有中心钝体的冲压发动机内部流动过程较为复杂,钝体后部有四个漩涡,增强了发动机内来流空气与燃气的掺混;钝体孔隙中的高速气流与两侧的小尺度漩涡保证了钝体尾涡的稳定性;与普通固体燃料冲压发动机相比,在燃烧室中增加中心钝体能增大燃烧室内高温区面积,提高补燃室内温度,可使推进剂平均燃面退移速率提高26.11%,发动机推力提高22.12%,燃烧效率提高8.9%。     

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.      

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

面向一体化计算的整体式液体冲压发动机建模及性能评估

为发展冲压发动机性能工程预估方法,建立了面向一体化计算的整体式液体冲压发动机性能计算模型,并使其兼容基团贡献算法,提高了拓展性。利用模型分析了冲压发动机在攻角0°～6°、高度0～18km、马赫数2.0～3.5、余气系数1.0～2.9范围工况多维度连续变化下,比冲、推力系数和燃油质量流量的速度-高度特性、高度-节流特性、节流-速度特性以及攻角特性。研究结果表明:性能计算模型可在一体化计算条件下、基团贡献算法允许范围内,不依赖试验数据对冲压发动机性能预估,计算结果与技术参考值相比相对误差均小于14%。推力系数和比冲具有基本一致的速度-高度特性和相似的高度-节流特性,受燃气组分影响,推力系数和比冲的节流-速度特性差异明显。燃油质量流量的变化规律不同于比冲和推力系数,在进入平流层后呈现折缓趋势,而呈现连续性,速度越大、高度越低、余气系数越小,燃油质量流量越高,反之则越小。引入攻角以后,攻角越大,比冲和推力系数越低,进气道起动马赫数越高;攻角-起动马赫数曲线小范围内近似线性,攻角超过5.6°非线性加剧。     

固体燃料冲压发动机两种补燃室构型数值分析

为了提高固体燃料冲压发动机性能,使用数值模拟的方法对圆孔隔板与加长燃料两种补燃室构型进行了对比研究。在燃料内径、燃烧室入口直径、空气流量及补燃室压强相同的条件下,得到了两种补燃室构型的放热量与总压损失。对二者进行综合比较后发现,圆孔隔板构型适用于补燃室较短以及发动机工作时间较长的情况;加长燃料构型适用于补燃室较长以及发动机工作时间较短的情况。     

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。     

来流条件对SFRJ燃速及自持燃烧性能的影响

为了研究来流条件对固体燃料燃速以及自持燃烧性能的影响规律,采用3阶单调迎风格式(MUSCL)重构方法,AUSMPW⁺通量分裂格式,k-w剪切应力输运(SST)湍流模型,7组分3反应有限速率化学反应模型以及2阶矩湍流燃烧模型,编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序。仿真结果显示:来流质量流率和总温的增加会提高燃速,温度和质量通量的影响指数大约为0.95~1.00和0.67;来流条件影响燃速的主要机理是壁面附近温度和湍流黏性的变化,其中湍流黏性是主要影响因素;随着质量流率的增加,特征速度逐渐降低,当入口马赫数接近1时,特征速度大约为850 m/s,固体燃料将无法自持燃烧。