基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟

为研究双脉冲固体火箭发动机Ⅱ脉冲点火瞬态过程,发展一套多物理场耦合求解器。流体控制方程基于有限体积法求解,时间推进采用双时间步LU-SGS(Lower Upper Symmetric Guass Seidel)方法;固体推进剂表面温度基于耦合传热方法计算;结构动力学运动方程基于有限元方法离散,采用经典的Newmark格式进行时间推进,流固耦合采用松耦合算法,并通过算例验证求解器的可靠性。计算结果表明:该求解器能够数值模拟Ⅱ脉冲启动过程中的点火药气体冲击、燃气非定常流动及金属膜片机械响应过程,获得金属膜片的破裂时间和压强;且随着点火质量流率增加,推进剂装药首次点燃时间和金属膜片破裂时间变短,膜片破裂压强降低;金属膜片破裂时间和压强不仅与作用在其表面的压强载荷大小相关,而且与压强载荷加载的过程相关;金属膜片厚度越薄,膜片破裂时间越短,膜片轴向位移越大,膜片破裂压强越低。     

固体火箭冲压发动机含硼推进剂燃烧性能实验研究

利用地面直连试验系统对含硼推进剂在某固体火箭冲压发动燃烧过程性能进行试验研究。通过对含硼推进剂燃烧后凝聚相样品的SEM,EDS和XPS分析,探讨推进剂燃烧过程。在凝聚相EDS分析中,硼元素含量随着远离推进剂轴向方向显著降低,氧元素含量显著升高。在补燃室中,由于补充富氧空气,一次燃烧产物进一步反应,导致环境温度上升。由于高温,硼颗粒发生燃烧,产生大量气态硼化物,从而导致硼元素含量下降。二次燃烧凝聚相产物中,硼的非完全氧化物占比在40%以上,氮化硼占比在20%以上,硼颗粒占比7%以下。研究结果表明,随着推进剂在燃气发生器和补燃室内的一、二次燃烧,硼颗粒逐渐减少,并分别与环境中的C和O等元素发生化学反应,在凝聚相中的含量逐渐降低,氧元素在补燃室之后显著增加,氮化硼为凝聚相主要成分之一,存在于各特征位置。推进剂中的硼颗粒没有被完全燃烧,燃烧效率有待于进一步提高。     

基于热解过程的变热物性碳/酚醛能量扩散数值研究

为了研究碳/酚醛材料内部能量传递以及体积烧蚀过程,基于热解动力学模型,提出了碳/酚醛复合材料热物性随温度和时间的变化模型。通过热解过程中材料本身不断发生变化的密度来反推酚醛树脂、炭纤维、树脂碳以及材料孔隙的体积比,以此来推断材料的瞬态物性参数。在该前提下,常用的碳/酚醛三层模型中的分层结构可在程序内部通过对密度的判定来获取,实现了传热烧蚀的耦合计算。研究结果表明,在受热初期,热解层厚度及材料质量损失速率迅速增高;随着时间的推进,能量逐渐向材料内部进入,并在进入过程中同样由于热解吸热、气体逸出以及对外界热辐射在逐渐衰减,使得能量渗透速度减缓;仿真结果与氮气氛围下的激光烧蚀试验结果吻合较好。     

基于热电偶动态特性的温度预估方法实验研究

针对高温高频和非均匀热流密度条件下温度测量问题,采用激光连续加热热电偶的方法,研究了不同热流密度条件下、不同直径热电偶的动态响应特性,分析了热流密度对热电偶动态响应时间和电压变化率的影响,得到热电偶动态响应时间、电压变化率与热流密度的函数关系,并提出了一种基于热电偶动态响应特性温度预估方法。结果表明:热电偶动态特性受热流密度影响较大,在相同热流密度条件下,动态响应时间与电压变化率的指数函数呈线性关系;文中提出的温度预估方法在超出热电偶测温量程27.3%的范围内具有较小误差,能满足工程温度测量的需要。     

基于热解过程的EPDM变热物性数值传热

针对三元乙丙橡胶(EPDM)类绝热材料热载荷作用下的热解炭化过程,基于热解动力学和多孔介质传质传热理论,建立了芳纶/EPDM绝热材料热物性参数随温度和时间变化的变热物性模型,并通过与实验的对比,验证了模型的准确性与可靠性。随后对热载荷作用下的烧蚀热响应开展了数值计算,结果表明:热载荷作用初期,材料表面升温迅速,随着能量不断传递,温度推进速率明显降低,炭化层厚度增长减慢,部分材料仍为原始状态；温度对热解反应速率的影响呈指数级,距表面越近反应速率越快,反之则慢。所提出的变热物性模型对绝热材料的烧蚀研究具有一定的参考价值。      

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。      

基于人工蜂群算法优化的燃气发生器压强自适应模糊免疫PID控制

固冲发动机燃气流量控制系统因具有较强的非线性和时变性,导致其控制问题较难解决。为了实现对燃气压强的精确闭环控制,设计了基于人工蜂群算法优化的自适应模糊免疫PID (ABC-AFI-PID)控制器。控制器的比例系数由模糊免疫控制器在线修正,积分和微分系数由自适应模糊控制器实时调整,并应用人工蜂群算法对控制器的设计参数进行鲁棒优化。采用ABC-AFI-PID控制器、自适应模糊PID (AF-PID)控制器和传统PID控制器分别对某滑盘阀式流量控制系统的线性和非线性模型进行仿真,来验证控制器在设计工作点(7.24MPa)附近以及全压强调节范围内的动态性能和稳态性能。结果表明:在不同的工况下,ABC-AFI-PID控制器体现出良好的品质。相比于AF-PID控制器可将压强响应速度提高约1.8～2.5倍,相比于传统的PID控制器可将压强响应速度提高约4.6～5.1倍,并且其超调量也被控制在7.14%以内。该控制器在快速性、稳定性和鲁棒性上均展现出了巨大优势,显著地提高了燃气流量控制系统的性能。     

改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型

为了表征改性双基推进剂的力学行为,推导出改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型。利用一系列蠕变-回复试验,将材料的总应变分离为黏弹性应变和黏塑性应变,使用最小二乘法获得了黏弹性参数,使用Nelder-Mead单纯形优化算法,结合后向Euler数值方法获得了黏塑性参数。通过不同应力水平和不同加载时间的蠕变-回复试验对模型进行了验证,结果表明,在应力水平较低或加载时间较短的情况下,模型预测与试验值变化趋势基本一致,模型获得的黏弹性应变与黏塑性应变在总应变中所占的比例与试验吻合。改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型能够在一定范围内描述材料的力学性能。     

扰流片推力矢量控制系统动态特性研究

针对固体火箭发动机的推力矢量控制系统的需求,分析了扰流片系统的工作原理,设计了圆弧型扰流片;根据扰流片的安装位置关系,推导了扰流片摆角与伸入喷管出口流场高度的关系式;对加载单个圆弧型扰流片的喷管三维流场进行数值模拟,得到扰流片产生气动力的大小随扰流片伸入流场高度的变化规律;并通过固体火箭发动机的点火试验,验证所设计的扰流片系统在阶跃响应和正弦加载下的动态特性.结果表明:扰流片推力矢量控制系统在最大偏转角度38°时,阶跃响应时间为55ms,最大偏差0.6°,超调量2.02％;偏转角8°时,正弦加载测得系统带宽10Hz.     

高速冲压推进弹丸气动特性仿真分析

针对设计马赫数为4的冲压推进弹丸,采用数值仿真手段,分析了设计马赫数下进气道的工作特性.对被动段飞行的弹丸内、外部气动阻力进行了数值计算,分析了不同飞行马赫数条件下的弹丸气动阻力的变化.研究结果表明:设计马赫数下,冲压推进弹丸的进气道具备再起动能力,进气道亚临界状态最大总压恢复在0.25左右;在弹丸飞行的被动段,随着飞行马赫数从4降低到3,弹丸内部气动阻力系数几乎保持不变,在0.06左右;外部气动阻力系数由马赫数4下的0.16增加到马赫数3下的0.21,弹丸总的气动阻力系数由马赫数4下的0.23增加为马赫数3下的0.27.外部阻力中,摩擦阻力占约20％;内部阻力中,摩擦阻力占40％左右.