火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA自点火性能数值研究

以PMMA为燃料对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的自点火性能进行了数值仿真研究。基于热解气体有限速率/涡耗散燃烧模型,通过求解装药壁面和内流场耦合的一维导热方程,得到稳态构型下的燃面退移率,数值结果和实验测量值吻合得较好。研究了进气流量、总温和燃烧室构型对自点火性能的影响,结果表明:成功自点火和未自点火的燃烧室内流场有明显差异。存在进气贫氧、进气富氧和进气总温自点火极限;提高进气总温有利于拓宽贫氧极限和富氧极限之间的范围。凹腔长度不足,即使增深凹腔也不能实现自点火;凹腔深度不足,即使加长凹腔也不能实现自点火;较长较深的凹腔能够实现自点火。平直段直径越大,越不利于自点火的实现。     

热水火箭发动机喷管内流场数值模拟

为了更好地了解热水火箭发动机的工作特性,建立了热水火箭发动机喷管流动的数值计算模型,并通过算例进行验证。通过对发动机喷管内部流场的研究,发现收敛段中压力首先降到初始温度对应的饱和压强,然后继续降低,并且在喉部的位置开始发生相变,从而使流动变为气液两相流,而且喷管出口处气相体积分数高达99%以上;由于变声速的原因,可以使两相流的流动在喉部之后达到超声速;把喷管的流动分为三个过程:单向流动过程、降压闪蒸过程和膨胀加速过程,与常规的化学能火箭发动机相比有类似性,但是由于闪蒸相变的存在,使其存在一定的复杂性。     

固体推进剂燃烧微观诊断技术述评

对近年来用于固体推进剂燃烧的微观诊断技术的原理、结果进行了综述,分析了用扫描电镜、热分析、Ｘ－ｒａｙ电子能谱仪、红外傅里叶光谱技术,微热电偶测温技术,ＬＩＦ,ＣＡＲＳ测试固体推进剂燃烧现象的结果,提出了存在的问题和努力的方向。     

高马赫数飞行条件下超燃冲压发动机燃烧组织方案数值模拟

针对高马赫数飞行条件下(Ma=8,其中燃烧室内流马赫数为3.88)超燃冲压发动机燃烧组织方案的优化问题,采用三维可压缩雷诺平均(RANS)数值模拟方法对采用不同燃料喷射角度和凹腔后倾角的燃烧方案进行了数值模拟研究。结果表明：高马赫数下燃烧主要集中在凹腔和燃烧室近壁区,随着燃料喷射角度的增大,燃烧反应更加剧烈;增大燃料喷射角度和减小凹腔后倾角能提高混合效率,从而提高燃烧效率,燃烧也更充分,但是燃烧引起的总压损失也会相应地提高;高马赫数条件下发动机内流阻力很大,大约是发动机净推力的7～8倍,而增大喷射角度和减小凹腔后倾角有利于提高发动机的推力性能,其中采用135°的逆向燃料喷入方案获得的正推力最大,此时燃烧位置相对靠前,有利于燃烧室设计尺寸的小型化。     

3D打印骨架增强石蜡燃料燃烧机理实验研究

针对固-液混合火箭发动机中石蜡基固体燃料机械性能差的问题，使用3D打印聚合物骨架镶嵌石蜡的方法增强了石蜡基燃料的结构强度，分析了骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注下的燃烧机理。通过对七种骨架材料进行SEM扫描、力学、热力学分析和纯氧条件下的燃烧试验，获得了不同骨架材料的微观表面结构、机械性能、热分解性能以及在纯氧环境下的燃烧性能；使用直/旋流固-气掺混燃烧试验系统，开展了螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料的燃烧试验，并与ABS固体燃料进行了对比。结果显示，在多种骨架材料中，ABS材料加工性能、机械性能及热分解性能良好；燃烧过程中，骨架增强石蜡燃料结构稳定性良好，石蜡液滴主要出现在石蜡-骨架交界处；旋流喷注和螺旋型骨架可促进石蜡液滴的夹带现象；在直流喷注工况中，骨架的凹槽结构增加了燃料与氧化剂的接触面积，尾部骨架结构具有稳焰作用，可促进后燃烧室的掺混燃烧；石蜡燃料和骨架燃速差异较大，发动机内弹道性能可能受此影响。     

旋转对固体火箭发动机两相流点火过程影响仿真研究

为研究高速旋转对内外燃管型装药固体火箭发动机凝聚相点火瞬态过程的影响规律，应用计算流体动力学（CFD）流体计算软件，使用用户定义函数（UDF）编程接口建立固体火箭发动机点火模型，对旋转条件下发动机凝聚相点火过程进行模拟。将数值计算结果与地面旋转实验内弹道进行对比分析，验证数值模型的正确性。计算结果表明：①点火药燃气颗粒因旋转做离心运动，大量粒子聚集在燃烧室头部上端，部分粒子附着在发动机壁面，且停留时间较长。②点火药燃气颗粒占比从20%增加到40%，点火压力峰值降低3.93%，发动机转速的升高会造成内弹道平衡压力升高，但点火压力峰会逐渐降低，且峰值出现时间发生延迟，转速达到15 000 r/min时点火压力峰消失。③转速增大，点火颗粒与推进剂传热增大，火焰传播期减小，但燃气填充期和点火延迟增大，点火药燃气颗粒占比为20%时，转速为15 000 r/min较静止条件下点火延迟增加了23.76%。     

火箭发动机燃烧室中燃烧噪声的计算模型

燃烧噪声一般分为直接噪声和间接噪声，推导了喉部壅塞工况下燃烧室中因不稳定释热产生的直接噪声和间接噪声在时域和频域的计算模型，该模型考虑了熵波的耗散和声波的衰减。将存在不稳定释热的燃烧室简化为加热直管进行理论计算。与实验结果相比，直接噪声预示误差小于4%，压力扰动的趋势基本一致。基于该模型分析了管长和温度扰动对噪声强度的影响，结果表明：管长越短，直接噪声和间接噪声强度越大；管长越长，直接噪声和间接噪声分离越清晰；直接噪声和间接噪声强度随温度扰动线性增加，无耗散条件下直接噪声增长率和强度均是间接噪声的2倍。     

水下固体火箭发动机的推力特性

在微观层面上对火箭发动机射流结构变化对推力的影响规律进行分析研究.采用轴对称模型对不同工况下的二维发动机模型进行数值模拟，获取推力振荡曲线，并研究不同阶段的推力变化，探究推力峰值与断裂的对应关系及推力振荡幅值与频率随工作环境变化的关系.研究结果表明:推力振荡产生的原因是射流在激波诱导下产生周期性颈缩；由于胀股及回击破碎的作用，水下射流推力存在多阶频率峰值；根据胀股主要处于中频段的重要结论对前4阶频率的研究表明射流回击与胀股具有相关性.