凝胶推进剂锥形管道流动特性数值分析

对凝胶推进剂在锥形圆管中的流动过程进行了数值计算,研究了锥形圆管收敛角对轴向速度、平均表观粘性、压降的影响关系,得到了凝胶推进荆在锥形圆管中的轴向速度与平均表观粘性分布.计算结果表明,随着收敛角的增大,出、入口截面平均表观粘性降低幅度不断增大,出口截面平均表观粘性不断减小至近牛顿粘性水平ηoo;并且,粘性的减小是以增大压降需求为前提的,当角度改变达某定值之后,角度的改变引起粘性的变化将不再显著.结果表明,圆管收敛角是影响粘性变化的一个重要参数,粘性变化与压降需求之间存在最佳结合点.     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

压电阻抗技术监测固体推进剂老化研究

为了进一步研究表面粘贴式的主动传感技术——压电阻抗技术(EMI, Electro-Mechanical Impedance)监测固体推进剂的老化,构建了基于线粘弹杆结构的一维机电耦合模型,根据粘弹性波的理论与边界条件进行分析,建立一种线粘弹结构动态模量与其机械阻抗的表征关系,并对构建的机电耦合阻抗模型进行了数值计算及试验验证。针对HTPB固体推进剂开展高温热加速老化试验及压电主动激励试验,根据监测所得导纳频谱并通过提取结构机械阻抗进行分析,结果表明:压电陶瓷片与推进剂结构在高频机电耦合运动时(300kHz,280kHz)有明显的共振现象,结构固有频率高于机电耦合共振频率,并且在200kHz～400kHz频段与700kHz～900kHz频段内,结构机械阻抗频谱峰值会因固体推进剂的热老化时间增长而降低,且与热老化时间之间满足线性关系。由此可见,压电阻抗法能够与固体推进剂在力学性能上建立表征关系,通过得到固体推进剂结构机械阻抗能够监测其老化损伤。     

单轴拉伸下HTPB推进剂细观损伤演化实验研究

为了研究HTPB固体推进剂在单轴拉伸载荷下的细观损伤机理,采用高精度微CT对拉伸过程中的HTPB推进剂进行了扫描实验,获取了不同拉伸应变下推进剂的细观损伤形貌以及孔隙率变化规律,分析了推进剂细观损伤对宏观力学性能的影响。结果表明：初始损伤的存在使得推进剂在受到载荷作用时AP颗粒就开始脱湿,AP颗粒脱湿形成的孔洞是推进剂细观损伤的主要形式。拉伸应变较小时,相对小尺寸AP颗粒而言,大尺寸AP颗粒附近的缺陷更容易发展成孔洞。随着拉伸应变的增大,绝大多数AP颗粒都开始脱湿,在推进剂宏观断裂前,大量AP颗粒脱湿形成的孔洞发生汇合,最终使推进剂断裂。加载过程中推进剂孔隙率随拉伸应变呈指数变化,初始孔隙率为1.8%,60%拉伸应变时孔隙率为19.1%。推进剂宏观力学性能处于线弹性段时,其内部细观损伤依旧在不断增加,当细观损伤累积到一定程度时推进剂的承载能力下降,宏观力学性能进入非线性段;由于AP颗粒仍具有一定的增强作用,且HTPB基体也具备承载能力,所以推进剂的应力随拉伸应变呈缓慢增加的趋势。     

基于微CT技术的丁羟推进剂脱湿定量表征方法研究

为定量表征丁羟推进剂单轴拉伸过程中的脱湿演化过程,设计了一种兼顾宏观力学性能测试与细观结构微CT表征的新型哑铃型试件,利用单轴拉伸过程中原位微CT扫描试验,获取推进剂内部平均灰度值与平均孔隙率随拉伸应变的变化规律。结果表明:随着拉伸过程应变的增加,受脱湿损伤与拉伸变形双重因素的影响,丁羟推进剂的平均灰度值逐渐下降,且下降速率呈现先增后减再增的变化趋势;平均孔隙率经历初始孔隙膨胀时的较小增幅、新增脱湿损伤时的突然增加、脱湿逐步发展时的平稳增长、以及脱湿诱发裂纹贯通时的再次突然增加等四个阶段。可见,平均灰度值和孔隙率均与丁羟推进剂的细观结构及宏观力学性能变化密切相关,两者均可定量表征丁羟推进剂脱湿损伤。相比较灰度值而言,孔隙率统计可以更有效地反映丁羟推进剂内部脱湿损伤形成与发展的演化过程,故其更适合其脱湿损失的定量表征。     

一种适用于小推力轨控发动机“二次变轨”机动突防方案

针对突防发动机轨控推力较小,难以产生在拦截器末制导段内成功突防所需的机动过载的实际情况,提出避开拦截器机动性能最强的末制导段,而选择在拦截器自由飞行段和末制导结束后实施“二次机动变轨”的突防方案,旨在解决弹道中段机动突防方案的有效性问题.建立了推力方向、推力持续时间等轨控发动机主要控制参数的优化规划模型,提供了基于遗传...     

涡轮叶片前缘附近斜射流梯形腔内的流动特性

涡轮叶片前缘附近内冷腔的几何结构通常较为复杂,建立了梯形内冷通道的放大模型进行实验模拟,考虑复杂流动条件的影响,了解通道内的流动结构与特性,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用七孔针对通道流场进行了详细测量,研究射流、横流及气膜孔出流对通道流场的影响规律。结果表明:在射流侧壁面较低位置的射流对靶面的冲击效果良好,较高位置的射流则主要对通道内旋流起到诱导和促进作用,且后者更易受横流影响;通道内横流强度的增加会进一步促进逆时针方向旋流的发展,同时削弱射流的冲击效果;随着射流角度的增加,射流的冲击作用增强,但诱导旋流的能力减弱;气膜出流量和出流位置的改变对通道主体流动结构影响较小。     

复合固体推进剂裂尖复合型变形场和约束场分析

用有限元法分析了不同Ⅰ-Ⅱ复合型裂端的变形场和约束场（裂端形状改变能和应力三维度水平Rσ）分布。结果表明：复合型裂端变形为不对称的相反变形,符合钝化-锐化模型。Ⅰ-Ⅱ复合加载时裂纹尖端出现负约束区域（该区Rσ〈0）,当Ⅱ型分量增加,负约束区域增大,最大约束水平Rσmax降低,且绕裂纹尖端顺时针转动。Rσmax出现距裂纹尖端有一定距离处。Ⅰ-Ⅱ复合载荷下偏离原裂纹方向的裂纹在钝化区内某处危险点开始萌生,并与应力三维度最大位置处产生的空穴或孔洞聚合向前扩展。     

HTPB推进剂中增塑剂扩散系数计算

针对丁羟推进剂/衬层界面增塑剂的迁移问题,研究增塑剂的扩散特性。采用分子动力学方法模拟增塑剂在丁羟粘合剂体系中的运动,再通过爱因斯坦关系式求得扩散系数;采用对衬层加厚的粘接试件进行加速老化实验方法,再通过费克第二定律计算得到增塑剂的扩散系数;考察不同环境温度和不同增塑剂含量条件下癸二酸二辛酯的扩散系数的变化。分析认为,增塑剂在丁羟粘合体系高分子链段运动产生的间隙中,以"跳跃"方式发生空间位置迁移。结果表明,扩散系数模拟值和实验值基本一致,数量级为10-12m2/s;温度升高,增塑剂运动活性加强,有效活动空间增大,扩散系数增大;粘合体系与增塑剂的共容限量使得增塑剂含量大于3%时,模拟得到的扩散系数依次略有下降。分子动力学方法计算增塑剂扩散系数更具优势。     

基于Kriging代理模型的锥柱形膜片屈曲载荷计算

基于Kriging代理模型,建立了一种考虑膜片半径与厚度、锥段高度与角度等典型结构特征的计算屈曲载荷的工程方法,并选取典型样本点对模型进行了数值验证.结果表明:基于Cubic相关函数建立的Kriging代理模型预测未知样本点屈曲载荷误差控制在5%以内,较常用的Gauss相关函数更适合建立锥柱形膜片屈曲载荷的Kriging代理模型;此代理模型能准确计算未知样本点的屈曲载荷,减少了繁杂的有限元建模与计算过程;根据设定的屈曲载荷,代理模型可计算各典型特征的参数值,并可作为锥柱形膜片结构优化设计的约束函数或目标函数.