高能点火药中固体微粒对复合推进剂点火性能的影响

利用高速实时激光全息摄影分析了点火药(Mg/(C_2F_4)n)的燃烧过程,提出了该点火药的燃烧产物对复合推进剂的传热模型,建立了热粒子点燃复合推进剂的综合点火模型.通过计算分析和实验研究,得到推进剂的点火延滞时间随着点火药中Mg粉粒度的增加而增长.同时预示了复合推进剂的点火性能与点火药性能、推进剂性能及环境条件等之间的依赖规律.     

复合固体推进剂的点火研究

本文根据实际固体火箭发动机的工作特点,以Summerfield.M的气相点火理论为基础,建立了用炽热含氧流动气体点燃复合固体推进剂的气相点火模型;并从该模型中导出了计算复合推进剂点火延迟时间的解析表达式((28)式);本文还认为:对于大多数复合推进剂(指以过氯酸铵为氧化剂)来说,是气相反应控制点火过程,因为利用炽热气体点火时,燃气的压力和氧化剂浓度是影响点火过程的主要因素。这一结论为如何调整点火器的设计参数,改进火箭发动机的点火性能指出了方向。     

复合推进剂气相点火过程的分析与计算

根据异质推进剂的特点,提出了含氧流动热气体点燃PBAA复合推进剂的气相点火模型。为了详细了解点火过程,进而准确预示点火延迟t-(ig),模型中详细考察了点火期间推进剂表面的分解过程,并利用有限差分法直接求解点火过程的控制方程,获得了点火表面附近的温度和浓度分布与变化曲线。通过与已有实验结果的比较,结果表明,文中提出的理论模型基本合理,计算方法也实用可靠,它们对于深入研究点火问题有一定参考价值。     

Ap复合固体推进剂气相点火模型

本文根据异质推进剂的特点,提出了含氧流动热气体点燃Ap复合推进剂的一维气相点火模型。模型中详细考察了点火过程中推进剂表面的分解过程和气相区的化学动力学过程,并利用有限差分法直接求解点火过程的控制方程,获得了点火延迟时间t_(ig)随燃烧室压力P变化的关系,固相区和气相区的温度分布,以及参加反应的各种化学组分在气相区的分布。t_(ig)随P变化的理论计算结果与实验测定曲线比较接近。对于深入研究点火问题有一定参考价值。利用本模型和计算方法还可以从理论上预示其它各种参数对Ap推进剂点火延迟的影响。     

小型固体推进剂火箭发动机某些点火问题的实验研究

用φ50mm标准试验发动机对双基和复合推进剂的发动机点火问题进行以下一系列研究工作:(1)在双基推进剂发动机的初始工作时,喷管堵盖的厚度将如何影响点火压力和点火延迟时间。试验结果表明:堵盖的爆破时间应该是在燃烧室最大压力的75％～100％处,那就是说,较厚的堵盖将得到较好的试验发动机性能。(2)在双基推进剂发动机中,堵盖厚度一定,燃烧室压力为25～115atm,试验结果表明:如果点火压力小于75atm,则某些通用的公式可用来计算点火药量。如利用Barrere和Lancaster公式来计算点火药量时,上面所讲的二个结果是有效的。(3)用一种高能金属氧化剂作点火材料的装药量和复合推进剂发动机的自由容积之间关系,对于不同的Ku,可作成曲线。例如用硼硝酸钾(B/KNO_3)作为点火药,聚酯推进剂作为发动机装药,则在对数坐标上所得曲线是线性的,这样,在点火器设计中易于确定所需烟火剂装药量。     

用炽热燃气对复合推进剂点火的试验研究

本文着重描述了一种新的用炽热燃气对复合固体推进剂进行点火研究装置及其优越性和试验方法。由于该装置输出性能良好,成本低,可望能推广为推进剂点火性能测定的标准装置和试验方法。经专家们鉴定,该装置优于美国Princeton大学的同类试验装置的性能。     

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题，结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况，亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本研究从某HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手，针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性。然后，基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算，通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理。最后，通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明，推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性，“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌，高应变率下AP颗粒析出数量较多，在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。     

固体推进剂药柱裂缝燃烧研究

静态点火条件下,在复合推进剂和双基推进剂裂缝燃烧实验的基础上,建立了一个综合静态点火模型。其中包括对流换热效应、气相热传导效应、热辐射效应、侵蚀燃烧效应和声振腔的影响。数值求解后得到许多参数的变化规律,可以预估裂缝燃烧的基本特征及其影响因素。文中就火焰传播速度与实验结果比较,吻合较好。此模型既可用于双基推进剂的裂缝燃烧研究,又可用于复合推进剂,具有较广泛的适用性。      

复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数反演

为确定复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在高氯酸铵(AP)颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤,对复合固体推进剂的细观损伤过程进行数值仿真计算。将数值仿真得到的应力-应变曲线与试验曲线进行对比,建立颗粒脱湿损伤参数的优化目标函数,通过分步迭代计算,对颗粒脱湿损伤参数进行反演识别。结果表明:根据反演参数计算复合固体推进剂细观损伤过程,颗粒夹杂模型表现出的宏观应力-应变关系与试验结果吻合良好,说明双折线损伤模型可以近似表征复合固体推进剂的脱湿损伤。     

基于细观力学的复合固体推进剂模量预估方法

应用分子动力学方法得到了复合固体推进剂颗粒在基体内随机分布的填充模型。针对推进剂所含颗粒大小不同,采用细观力学有限元法和Mori-Tanaka分析法相结合的方法计算了推进剂的模量,计算所得模量与不同颗粒体积分数推进剂的单向拉伸试验结果比较吻合。此外,该方法可以获得推进剂细观结构应力,从而为推进剂的细观损伤分析奠定基础。     

高能点火药点燃性能的研究

以 Co₂ 激光为能源对 Al+KClO₄ 高能点火药的点火特性进行了研究。结果表明:Al和KClO₄ 的质量比各为 50 %时,点火延迟时间最小。点火药中掺入少量硫粉能大大减少点火延迟时间。点火延迟时间随点火药的初温的升高而减小。点火延迟时间随点火热流密度的增大而减小。存在一个最小点火热流密度,小于此值点火药将不能被点着。在实验观察和理论分析的基础上,提出一个Al+KClO₄ 高能点火药的点火模型,并对由此模型而导出的控制方程进行了数值求解,计算结果与实验值相符。      

CO2激光点燃点火药的试验研究

用CO_2激光点火试验设备,对Al KClO_4点火药进行点燃性能试验.试验结果表明,随着点火热流密度的增大,点火延迟时间减小.说明点火热流密度是点火药点燃性能中非常重要的控制量.点火药密度越小点火延迟时间也越小.在点火药主组分中加入少量固态硫作为粘合剂,会使点火药的点燃性能更好.     

一种航空煤油数值模拟替代燃料的化学反应简化机理

通过对一种航空煤油数值模拟替代燃料(正癸烷)着火与燃烧的化学反应详细机理(包括67种组分,344个反应)进行反应流与敏感性分析,建立了该替代燃料的化学反应简化机理(包括50种组分,118个反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.结果表明:与实验数据相比,采用详细机理与简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与主要生成物的摩尔分数与炉壁距离的整体变化趋势吻合较好.正癸烷可以作为航空煤油的一种数值模拟替代燃料,同时,所建立的化学反应简化机理能很好的描述正癸烷着火与燃烧的动力学特性.      

RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应详细机理

在化学激波管中对RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下RP-3航空煤油的着火延迟时间.根据RP-3航空煤油的化学组成及物理特性,提出了由体积分数分别为0.65,0.1,0.25的正癸烷、甲苯与丙基环己烷3种组分组成的模拟替代燃料,并形成了该模拟替代燃料的化学反应详细机理.采用该化学反应详细机理对该模拟替代燃料在化学激波管中多工况下的着火特性进行了数值计算,并与实验数据进行了对比分析.结果表明:在不同压力与当量比下,RP-3航空煤油着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,并且随着火温度与压力的升高以及当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短;同时,在各工况下采用该化学反应机理计算得到的该模拟替代燃料着火延迟时间与RP-3航空煤油着火延迟时间的实验值吻合良好.      

RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应简化机理

为了建立能适用航空发动机燃烧过程反应动力学计算的国产RP-3航空煤油的化学反应机理,在化学激波管中对国产RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下该航空煤油的着火延迟时间。根据RP-3航空煤油的化学组成及物理特性,提出了由正癸烷、甲苯与丙基环己烷(体积百分比为0.65/0.1/0.25三种组份组成的模拟替代燃料,并形成了该替代燃料的化学反应详细机理。采用敏感性分析方法,对该详细反应机理进行了简化,形成了该替代燃料的简化反应机理。采用该简化机理对该替代燃料多工况下的着火特性进行了数值模拟,并与实验数据以及详细机理的计算结果进行了对比分析。结果表明,在不同压力与当量比下,RP-3航空煤油着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈直线关系,并且随着火温度、着火压力的升高以及当量比的降低,RP-3航空煤油着火延迟时间逐渐缩短;同时,在各工况下采用该简化机理计算得到的该替代燃料的着火延迟与详细反应机理的计算结果以及RP-3航空煤油着火延迟的实验值吻合良好。     

木材在锥形量热仪上的点燃实验研究

利用锥形量热仪研究了外加辐射热流和电火花点火高度对木材着火时的点燃时间、表面温度、质量损失速率等点燃特征参数的影响,提出了室内火灾中木材点燃的临界质量通量判据。研究结果表明,增大外加辐射热流,木材点燃时间缩短,点燃的临界表面温度减小,但临界质量通量不变;增大电火花的点火高度,木材点燃时间延长,点燃的临界表面温度升高,临界质量通量增大;对于特定场所,可以用临界质量通量作为木材点燃的判据。     

RP-3航空煤油3组分模拟替代燃料燃烧反应机理

提出了一种包括65%正癸烷、10%甲苯与25%丙基环己烷3组分的RP-3航空煤油模拟替代燃料的燃烧反应机理,该机理由150种组分和591个基元反应组成.采用该燃烧反应机理对RP-3航空煤油模拟替代燃料在激波管和定容燃烧弹中的着火与燃烧特性进行数值模拟,并与相应工况实验数据进行对比分析.通过与RP-3航空煤油单组分正癸烷模拟替代燃料的燃烧反应机理进行对比分析发现:正癸烷、甲苯与丙基环己烷3组分替代燃料的燃烧反应机理对着火延迟时间的计算偏差能够控制在5%以内,对层流燃烧速度的计算偏差能够控制在10%以内,计算值明显优于正癸烷单组分替代燃料;进一步采用敏感性分析方法对3组分模拟替代燃料的燃料反应机理进行了适当修正,修正后机理对层流燃烧速度的计算偏差由10%提高到5%以内,能够更好预测所研究参数下的RP-3航空煤油的着火延迟时间和层流燃烧速度.      

航空发动机燃烧室燃烧过程与排放物生成的反应动力学数值模拟

选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了正癸烷的化学反应详细机理与简化机理(包括50种组分,118个基元反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某型航空发动机环管形燃烧室中单个火焰筒内流动特性与燃烧过程、排放物及活性中间组分生成的反应动力学特性进行了详细分析,并与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理的计算结果进行了对比分析.结果表明:采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理计算得到的温度场分布更符合实际,其出口平均温度亦更为接近燃烧室出口设计温度;同时,能更为详细了解燃料低温裂解过程及裂解产物、中间产物及主要排放物的生成规律.      

Comparison of autoignition characteristics of n-heptane, methylcyclohexane and toluene

The autoignition characteristics of three C7 hydrocarbon fuels,n-heptane,methylcyclohexane and toluene,were comparatively investigated.Ignitions were performed behind the reflected shock waves in a shock tube.The ignition delay times of these fuels were measured at the same igintion conditions with constant fuel mole fraction of 1.0%,equivalence ratio of 1.0,ignition pressure of 1.0×105 Pa(one more 2.0×105 Pa for n-heptane)and temperatures of 1 166-1 662 K.The correlation formula of ignition delay dependence of three fuels on igintion conditions was deduced separately.Results show that the ignition delay time of n-heptane is the shortest while that of toluene is the longest at the same ignition conditions.The ignition delay time of methylcyclohexane is most sensitive to the temperature while that of n-heptane is the least.The comparison of current ignition delay times with the predictions of available chemical kinetic reaction mechanisms has been presented to validate the reliability of mechanisms.The important chemical reactions during the ignition process have been obtained from the sensitivity analysis.     

乙烯简化化学动力学模型在HIFiRE燃烧室计算中的应用

为评估化学反应动力学模型对超燃冲压发动机计算结果的影响,首先利用基于"准稳态"假设方法建立了复杂化学反应动力学模型简化软件包(SPARCK),从详细模型出发得到了一个包含20组分16步总包反应的乙烯简化动力学模型.然后采用该简化模型和Princeton大学的简化模型对乙烯点火延迟时间进行了计算,对比显示两个简化模型计算结果基本一致,与实验测量结果均吻合较好,都能准确反映乙烯点火特性.但对HIFiRE燃烧室直连式实验的数值模拟结果显示两个模型计算得到的燃烧流场静温分布差别较大,内流道推力性能相差近12%.相比于Princeton大学的简化模型,SPARCK软件得到的简化模型计算的壁面压力分布与实验结果吻合更好,能够准确描述燃烧室流场现象.