数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。     

战术导弹固体发动机燃烧不稳定研究概述

介绍了大长径比战术导弹用固体发动机中产生的燃烧不稳定,分析了燃烧不稳定产生的机理,总结了国外典型的实验研究情况及其主要结论,以及国内固体发动机燃烧不稳定的状况。结合最新的研究进展,对燃烧不稳定的影响因素开展了深入分析:分析了声涡之间的耦合作用,重点讨论了声对涡的调制作用;分析了推进剂压强耦合对燃烧不稳定的影响,讨论了压强耦合响应函数的测试方法及其与推进剂配方之间的关系;分析了金属的分散燃烧及其凝相燃烧产物对燃烧不稳定的增益和阻尼作用。针对诸影响因素,提出了进一步的研究建议。     

两种含铝复合推进剂压强耦合响应的实验对比

基于T型燃烧器双脉冲外部激励的方法,对2种含铝HTPB复合固体推进剂开展对比实验研究,分析比较其压强耦合响应特性的差异。在7 MPa条件下成功地开展了4次试验,获得了2种推进剂在T型燃烧器中的衰减常数和燃面增益常数。结果表明,由于推进剂配方中AP粒径分布存在差异,这2种推进剂的压强耦合响应常数存在差别。其中小粒径AP含量较多的推进剂更易产生不稳定燃烧现象。这一实验现象与发动机真实工作情况的表现是一致的。2种推进剂的凝相燃烧产物在发动机中的行为也表现出较大差异。     

复合推进剂中铝粉粒度对分布燃烧响应和粒子阻尼特性影响

针对不同初始铝粉粒度的含铝复合推进剂,对其燃烧产物粒子阻尼特性和铝粒子分布燃烧响应特性进行了试验研究。试验结果表明:粒子阻尼的大小取决于流场中的凝相燃烧产物粒径分布和振荡频率,与推进剂中铝粉初始粒度基本无关;粒子阻尼预估方面,采用单一粒径预估的阻尼值与实际测量的阻尼值相比,仍存在一定的误差(10%),需要进一步改进;分布燃烧响应方面,在同一振荡频率范围内,分布燃烧响应特性与复合推进剂中初始铝粉粒度有关,即初始铝粉粒度越大,在燃烧过程中产生的分布燃烧增益越大,这对于发动机燃烧的稳定性是十分不利的。     

固体推进剂速度耦合响应函数测量实验方法研究

为获得固体推进剂速度耦合响应特性,基于T型燃烧器测量技术,建立了一种测量含铝复合推进剂速度耦合响应函数的实验方法,并在工作压强为6.5MPa和振荡频率约为175Hz条件下,开展了响应特性实验研究。实验结果表明:速度耦合与压强耦合有明显的不同,压强耦合在整个振荡区域内均表现出增益作用,而速度耦合在不同振荡区域内可表现出增益作用,也可以表现出抑制作用;在本文的工况参数条件下,速度耦合响应函数值远大于压强耦合响应函数值。在固体火箭发动机非线性燃烧不稳定中,速度耦合响应是不可忽略的重要影响因素。本文所建立的实验方法能在测量速度耦合响应函数的同时获得压强耦合响应函数,可更好地分析固体推进剂的燃烧响应特性。因此,该方法为分析固体火箭发动机非线性燃烧不稳定问题提供了重要的实验手段。     

固体火箭发动机径向加质圆管模型流动稳定性的参数分析

利用径向加质圆管Taylor-Culick流动模型,基于谱配置方法,研究了固体火箭发动机流动稳定性。分析了不同参数(侧向注入雷诺数和长径比)变化对固体火箭发动机空间稳定性的影响。研究表明,侧向注入雷诺数影响不稳定模态由基频到高频的排列,不同长径比对流动不稳定的放大效果有明显的不同,并通过频率、环向空间波动与轴向空间波动的关系,分析了径向加质圆管流动不稳定的物理特性。     

振荡环境下多层三明治模型火焰波动特性研究

基于OpenFOAM计算平台,针对发动机振荡环境下AP/HTPB复合推进剂微观火焰的燃烧波动特性开展了数值计算研究。由于传统的三明治模型并未考虑相邻火焰之间的影响,因此本文采用多层三明治构型,在平均压强5.7 MPa、振荡频率323 Hz、压强振荡幅值为0.2 MPa、质量比α_(AP/HTPB)=7/3的情况下,开展数值模拟和分析工作。结果表明,基于OpenFOAM的建立的数值模拟方法,可获得发动机振荡环境下AP/HTPB三明治模型火焰的波动特性,包括火焰高度、火焰摆动角度、对近燃面气相区域的热反馈等参数的变化。对比分析表明,相邻火焰会对彼此的火焰波动特性产生影响,多层三明治模型对推进剂细观火焰的描述更加合理。     

复合推进剂中铝燃烧实验研究

采用长焦显微镜头和高速相机组合的光学拍摄方法,研究了不同压强下含铝复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程。分别在1MPa,3MPa和5MPa充满氮气的燃烧实验器中进行了实验。在3MPa和5MPa实验中,通过在镜头前增加不同透射率的中性密度滤波片解决了因铝滴燃烧发光过强导致相机成像过度曝光的问题。通过测定拍摄过程中相邻两张图片中同一粒径铝滴在不同位置,计算了不同粒径铝滴的随流运动速率。小粒径随流运动速率快,大粒径随流运动速率慢。实验中还得到了不同粒径铝滴在推进剂燃烧表面的团聚形成时间。1MPa实验下,200μm和150μm粒子的团聚时间分别约为8ms和6ms;3MPa下,300μm和200μm粒子的团聚时间分别约为5ms和3ms;5MPa下,300μm和150μm粒子的团聚时间分别约小于3ms和1ms。随着压强的增大,同一粒径团聚物的团聚时间缩短。在同一压强条件下,粒径越小的铝团聚物其所需团聚时间越短。     

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息，采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下，采用两种放大倍数（1.1倍和2.7倍）的成像系统对两种推进剂进行了全息测量，分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息，采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明：在颗粒重建全息图的基础上，采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度，在10μm～200μm内，相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm～900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息，说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。     

固体火箭发动机径向加质流局部稳定性分析方法研究

应用局部非平行流动稳定性理论研究了大长径比固体火箭发动机内的表面涡脱落现象.分析了由主变量公式和流函数公式导出的扰动方程的差异,以及流动参数对稳定性的影响,发现两种扰动方程对最不稳定波频率的预估值小于2％,且该频率沿流向逐渐增加.比较了基于空间发展模式的理论结果与大涡模拟计算结果,发现在不发生共振的情况下,理论方法可以较好地预估发动机内的流动不稳定频率.