C02激光点燃固体推进剂的研究

选用具有代表性的复合型、双基型推进剂以及金属粉组成的点火药,在新建的CO_2激光点火试验设备上进行了推进剂点火性能试验,获得了重复性较好的试验数据。针对复合推进剂提出一个点火模型及点火判据表示式,计算与试验结果相吻合,证明该模型可以用于预估复合推进剂的点火性能。试验和计算结果都表明点火热流密度对点火延迟时间影响很大,是推进剂点火性能中非常重要的控制量     

基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

高氯酸铵/硝胺推进剂燃烧模拟

本文提出了一个高氯酸铵/硝胺推进剂的复合火焰燃烧模型,该模型不仅适合于任一配比的高氯酸铵/硝胺推进剂,而且也适合于高氯酸铵基推进剂和硝胺基推进剂的燃烧模拟.计算结果和文献值、实验值吻合较好.结果表明,该模型能正确地预测许多因素对推进剂燃烧速率的影响.     

凝胶推进剂管道输送系统流阻特性实验和数值研究

为研究凝胶推进剂的流变特性,建立了两种不同结构的凝胶推进剂管道输送系统模型。在直管流变特性实验基础上,确定了凝胶推进剂的流变参数,采用凝胶推进剂和水对整个凝胶推进剂管道输送系统流动进行了数值模拟,并将结果与输送系统流阻实验的实验值进行了对比分析。结果显示数值计算结果与实验结果吻合较好。     

固体火箭发动机碳基材料喷管机械侵蚀特性

为研究碳基材料喷管的机械侵蚀特性,基于两相流理论和经验公式,考虑液滴的蒸发与反应,建立了二维轴对称碳基材料喷管机械侵蚀计算模型.针对15-lb BATES发动机喷管进行了机械侵蚀计算,研究了液滴轨迹、机械侵蚀情况的分布规律,以及推进剂中Al质量分数和燃烧室压强对机械侵蚀的影响.结果表明:机械侵蚀率计算最大值为55μm/s,在实验结果范围内.Al/Al₂O₃混合液滴是机械侵蚀的主要因素,Al液滴由于蒸发氧化而不对壁面造成碰撞.机械侵蚀发生在喷管收敛段,峰值位于喉部上游入口处,喉部和扩张段无机械侵蚀现象.推进剂中Al质量分数增加对机械侵蚀率无显著规律性影响.机械侵蚀率随燃烧室压强的增加呈超线性增长.      

“AP/HTPB/Al/催化剂”推进剂燃烧模拟计算方法

本文以我们在文献[1～4]中提出的“AP/HTPB/Al”推进剂燃烧模型为基础,首先讨论了催化剂作用部位与推进剂燃速、压力指数变化的关系,然后引入一个催化剂作用因子B.并以二茂铁系列催化剂为例,对模型中的几个与二茂铁催化剂作用部位相连系的反应动力学参数作“催化作用因子”校正,计算研究了四种二茂铁催化剂用量对燃速、压力指数的影响规律.计算结果与实验符合得很好,相对误差均小于±10%,证明本文提出的模拟计算方法具有较高的可靠性.     

低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

小推力液体火箭发动机燃烧室内流场数值模拟

为研究不同直径的推进剂液滴碰撞火箭发动机燃烧室壁面后对流场的影响,在FLUENT基础上通过UDF程序加入液滴撞壁模型,对一种双组元自燃推进剂发动机燃烧室内推进剂的蒸发、流动、燃烧过程进行分析计算,得出燃烧室的流场,液滴分布,液滴撞壁后轨迹的变化以及发动机的各项性能参数,符合规律的数值模拟结果,可为发动机的设计和试验提供依据。     

含C60的RDX-CMDB推进剂性能研究

通过燃速、爆热、活化能和温度分布等参数的测试和计算，发现C(60)能显著提高推进剂的火焰温度和燃烧表面温度，降低压强指数，使平台区范围变宽且向高压方向移动，推进剂的爆热也提高约10％。此外从反应机理上提出C(60)-Pbx络合物的催化作用，改善了RDX－CMDB推进剂燃烧性能；富集物（含10％C(60)的烟炱）中C(60)主要以分子状态存在，因此它能把C(60)均匀分散到推进剂中，而且保持C(60)化学活性，比纯C(60)的催化效果更好。     

影响Al2O3凝相尺寸分布的因素

用激光全息装置测量含铝复合推进剂燃烧场凝聚相的尺寸分布，分辨率为5μm。分析了滞留时间、铝粉含量(2%～16%)和燃烧室压强(0.1MPa～4MPa)对凝相粒子尺寸分布的影响。实验表明，粒子总数随滞留时间减少，粒子越大,减少的相对比例越大；粒子尺寸分布不随燃烧室压强和推进剂铝粉含量变化。     

液氢/液氧火箭发动机燃烧过程二维数值模拟分析

本文应用数值模拟方法对液氢/液氧火箭发动机燃烧过程进行了计算,给出了发动机燃烧室内燃气参数分布。计算中通过随机喷雾模型确定液氧滴进入燃烧室的初始条件,应用高压蒸发模型计算液氧蒸发速率及Arrhenius公式计算氢氧气相化学反应速率。贴体网格由TTM方法生成,数值方法采用一步隐式预测、两步显式校正的PISO算法,控制方程在非交错网格下离散并且对流项采用了二阶迎风格式。      

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。     

A new stationary droplet evaporation model and its validation

The liquid droplet evaporation character is important for not only combustion chamber design process but also high-accuracy spray combustion simulation.In this paper,the suspended droplets' evaporation character was measured in a quiescent high-temperature environment by micro high-speed camera system.The gasoline and kerosene experimental results are consistent with the reference data.Methanol,common kerosene and aviation kerosene droplet evaporation characteristics,as well as their evaporation rate changing with temperature,were obtained.The evaporation rate experimental data were compared with the prediction result of Ranz-Marshall boiling temperature model (RMB),Ranz-Marshall low-temperature model (RML),drift flux model (DFM),mass analogy model (MAM),and stagnant film model (SFM).The disparity between the experimental data and the model prediction results was mainly caused by the neglect of the nat ural convection effect,which was never introduced into the droplet evaporation concept.A new droplet evaporation model with consideration of natural convection buoyancy force effect was proposed in this paper.Under the experimental conditions in this paper,the calculation results of the new droplet evaporation model were agreed with the experimental data for kerosene,methanol and other fuels,with less than 20％ relative deviations.The relative deviations between the new evaporation model predictions for kerosene and the experimental data from the references were within 10％.     

Thin-film Li-LiMn2O4 batteries

Thin-film rechargeable Li-LiMn₂O₄ batteries have been fabricated and characterized. Following deposition by electron beam evaporation of LiMn₂O₄, the amorphous as-deposited cathode films 1 cm² in area by 0.3to 4-μm thick were annealed at 700°C to 800°C in oxygen in order to form the crystalline spinet phase. The specific capacity of the cells between 4.5 V to 3.8 V ranged from 50 μAh/mg to 120 μAh/mg. When cycled over this range, the batteries exhibited excellent secondary performance with capacity losses as low as 0.001% per cycle. On charging to 5.3 V, a plateau with a median voltage of 5.1 V was observed. The total charge extracted between 3.8 V to 5.3 V corresponded to about 1 Li/Mn₂ O₄     

多组分液滴自然对流厚交换层蒸发模型及其检验

为发展多组分液体燃料高温蒸发模型,首先以零扩散和无限扩散概念为基础,拓展考虑自然对流的厚交换层高温蒸发模型到多组分液体燃料,提出多组分NC-TEL模型。其次,采用挂滴法对正庚烷-乙醇、正癸烷-乙醇、RP-3航空煤油-乙醇三种混合燃料的单液滴在高温静止和强迫对流条件下的蒸发特性进行实验研究。实验结果显示:混合液滴蒸发速率随温度升高而显著增大,温度越高组分构成比例对液滴蒸发率的影响越明显;本文实验条件下,对流环境对于液滴蒸发的促进作用并不明显。最后,用实验数据检验蒸发模型。模型对比结果显示:总体上,NC-TEL模型优于R-M模型,高温段预测精度平均提升了8%～35%;低温段,零扩散NC-TEL模型与实验结果吻合程度较好,而无限扩散NC-TEL模型与实验结果相比误差略大;高温段,对于正庚烷-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测较为准确,而对于正癸烷/RP-3航空煤油-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测值则偏低,可能的原因是微爆现象和Marangoni现象。     

气氮调温器Y型喷嘴实验及数值研究

基于FLUENT软件离散相模型及气体助力雾化模型,采用欧拉-拉格朗日方法研究通过Y型喷嘴雾化液氮的雾化特性.由于液氮液滴的蒸发相变,与水相比喷雾锥角更清晰且明显减小,约为10°,喷雾距离缩短.分析喷嘴气液工作压力对液氮雾化索太尔平均直径（SMD）、液滴体积分数和数量分数的影响.结果表明：SMD沿喷射方向变化幅度极小;SMD主要受气相速度及气液比影响,气压低时气相速度影响较大,气压高时气液比影响较大;由于相变作用,液氮雾化粒径分布更为集中.数值研究Y型喷嘴用于不同流量需求的气氮调温器的调温效果,出口温度低于98K,进出口温差达到12K,且整个出口温差在±1K以内,能够实现精确控温要求.     

某型飞机发动机短舱防冰系统设计计算

介绍了某型飞机发动机短舱防冰系统的结构形式和防冰原理,按照可利用热量应大于所需热量的原则,通过计算完全蒸发和湿状态下的热载荷,确定了发动机短舱防冰严酷状态及所需热流量.基于机翼水收集系数和数据相似原则,利用欧拉法两相流计算方法,确定了短舱防冰系统水收集系数.按照在湿状态下允许有一定结冰量存在的设计原则,根据发动机的吞冰能力,利用VSAERO/ICE工具对发动机短舱防冰系统进行了计算,计算结果表明,在严酷状态下,防冰系统能够满足允许结冰厚度要求.      

H2-O2-Cl2混气光化学点火特性

为了研究在H2-O2-Cl2混气中以光化学方式点火的具体物理化学过程，首先建立分析模型，然后根据此模型计算不同爆炸波后压力和温度下的光化学点火过程中温度变化以及各种粒子的浓度变化，最后根据计算结果进行绘图，并深入分析光化学点火过程。分析结果表明，光化学点火方式可以适应高空下的低压状况；在温度达到700K之后，H2-O2链式反应才会启动；光化学点火延迟时间随初始爆炸波后温度和压力的降低而增长。     

3D-Cf / Mg 复合材料的热残余应力研究

采用随动硬化有限元模型,研究了三维碳纤维增强镁基复合材料(3D-Cf/Mg)基体热残余应力的大小、分布以及不同工艺处理对热残余应力的影响。同时,对复合材料进行了高、低温处理,利用XRD定性分析了处理前后复合材料基体热残余应力的变化。计算结果表明:经过-196℃低温处理后,复合材料基体的平均Mises热残余应力由169.06 MPa减小至55.29 MPa;高温处理后,基体平均热残余应力几乎不变。该结果与实验结果吻合,证明了低温处理能明显降低复合材料基体的热残余应力。     

Computer model to predict evaporation and deposition of thermal barrier coatings

Electron beam-physical vapour deposition (EB-PVD) thermal barrier coatings (TBCs) are being investigated in order to be applied to the most demanding of stationary and rotating components. A computer program has been developed aimed at calculating the coating thickness distribution around any component. Engine components were modelled by generating a Stereolithography (STL) file, a common format most CAD packages can export to, and by manipulating them using OpenGL library functions within the computer model. A comparison between the results predicted using the computer model and the ones measured for experimental trial runs was made. Predicted thickness distributions are in good agreement even for the simplified evaporation model.