头部空腔对固体火箭发动机压强振荡抑制作用的数值研究

为了揭示头部空腔对固体火箭发动机压强振荡的抑制原理,以VKI实验发动机为基础,使用大涡模拟方法,对障碍物旋涡脱落诱发的振荡流场开展了数值研究,获得了压强振荡的频率和幅值,并和实验数据进行了对比。通过在发动机头部加入空腔,发现压强振幅明显减弱,证实了瑞利准则用于指导头部装药抑振设计的有效性。研究结果表明,空腔体积、位置、形状对振幅的影响很大,改变装药结构本质上是质量抽取与注入之间的相互抗争过程。装药头端复杂流场对抑振基本无效,在声压波节处改变药型对抑振基本无效,在声压波腹处加入的质量通量越大,振幅增加越显著,空腔越靠近声压波腹,空腔对声能的阻尼效应越强。     

某双脉冲发动机压力振荡产生机理及抑制方法分析

以某双脉冲发动机二脉冲工作时出现的压力振荡现象为研究对象,建立燃烧室内的声腔和流动模型,采用有限元和大涡模拟算法及声涡耦合机理对压力振荡出现的原因进行了研究,并对采用扰流环抑制压力振荡的原理进行了分析。研究结果表明:该发动机二脉冲工作时出现的压力振荡由声涡耦合引起,在发动机中增加扰流环结构可提高发动机工作初期的漩涡脱落频率,使该频率远离发动机燃烧室声腔的轴向一阶声频,从而抑制压力振荡的发生。     

潜入式喷管背区空腔对压强振荡及旋涡运动影响的实验研究

通过转角涡脱落二维缩比实验器的冷流实验,验证了声-涡耦合机理,即当转角涡脱落频率与声腔固有频率接近时将引起压强振荡,并通过改变潜入式喷管背区空腔体积,研究了空腔体积大小对压强振荡以及旋涡运动的影响。实验结果表明,实验器中压强振荡的振幅随着潜入式喷管背区空腔体积的减小而降低,当背区空腔体积为0时,压强振荡消失。通过高速流场显示技术,获得了不同背区空腔体积时的旋涡运动情况。分析表明,随着空腔体积的逐渐减小,旋涡脱落变得杂乱而没有规则,无法与实验器声腔耦合,从而不能产生压强振荡。     

潜入式喷管对燃烧室中压力振荡的影响

燃烧室中压力振荡可能会造成发动机及飞行器的不稳定工作。喷管作为发动机主要部件之一,对压力振荡存在着重要影响。文中主要研究了潜入式喷管所引入的空腔体积及其入口形状对燃烧室中压力振荡的影响,发现空腔对压力振荡的振幅和频率均具有调节作用,也验证了潜入式喷管的空腔体积与压力振荡幅值之间的近似线性关系。与潜入式喷管空腔的入口形状相比,空腔体积对压力振幅的影响较大。结论可为大型固体火箭发动机潜入式喷管的设计提供参考。     

固体火箭发动机中铝粉燃烧研究概述

介绍了固体火箭发动机中单个铝颗粒燃烧模型的发展与铝颗粒的燃烧特性;阐述了铝粉分布燃烧现象、分布燃烧放热与声场的耦合关系及其对发动机稳定性的增益作用;总结了惰性颗粒的阻尼理论以及在表面旋涡脱落条件下惰性颗粒对压强振荡的放大作用;提出了应从复杂流场中全面考虑铝粉燃烧对发动机的增益与阻尼作用,建立其对发动机工作稳定性影响的综...     

轴对称后向台阶不稳定流动及压强振荡数值研究

使用翼柱形装药的战术发动机,在翼槽烧完时会出现轴对称的后向台阶结构,易产生转角涡脱落引起的声涡耦合现象。根据战术发动机中后向台阶流动特点设计简化模型,从线性稳定性理论出发,应用声涡耦合模态预测方法进行分析。采用湍流流动的大涡模拟(LES)方法,进行了较宽来流Re数条件下后向台阶不稳定流动的数值模拟,获得了转角涡脱落产生的一般过程,分析了不同来流条件下的旋涡多尺度运动规律。通过分析流场中关键位置的压强振荡,研究了气动声学现象。结果表明,声涡耦合模态预测方法可对不同速度下可能诱发的声场固有频率进行合理预测。流场头部压强波动的振幅最大,频率与声场轴向声模态相耦合。再发展区出现低于轴向基频的宽峰振荡主要受大尺度旋涡运动的影响,该频率与基频接近时,会造成基频的多峰现象。当近壁面小尺寸旋涡形成频率接近声场某阶固有频率时,该频率及更低阶频率就有可能被激发。     

发动机供应系统中汽蚀管自激振荡特性试验

为研究汽蚀管在火箭发动机供应系统中的自激振荡特性,采用全尺寸的发动机泵后供应系统,并模拟供应系统在发动机中的边界条件,开展了汽蚀管动态液流试验。在不同的汽蚀管相对压力损失下,获得了不同位置处的压力振荡数据。试验结果表明,当汽蚀管处于汽蚀工作状态,汽蚀管下游脉动压力存在220~310 Hz范围的振荡,下游压力的自激振荡对汽蚀管上游系统无明显影响。随着汽蚀管相对压力损失的增大,汽蚀管下游的汽蚀振荡频率减小,汽蚀振荡幅值增大。在汽蚀管与主阀之间,振荡幅值沿流向逐步增大,从主阀至推力室头腔,振荡幅值逐步衰减。当汽蚀裕度过大时,汽蚀管下游出现大幅值的压力脉冲尖峰,并导致导管结构产生高幅值的脉冲形振动响应。     

双脉冲发动机点火过程三维数值模拟

以喷射棒式双脉冲发动机燃烧室、级间隔离装置和喷管一体化为研究对象,采用数值仿真技术对Ⅱ脉冲点火过程三维流场特性进行分析研究。计算结果表明,点火初期燃气压力波峰超前于火焰峰到达级间隔离装置,并以压强冲击波形式传播,Ⅱ脉冲燃烧室相对高压区位置不断发生改变;级间孔打开过程对药柱末端压强影响较大,但对Ⅱ脉冲燃烧室压强整体上升过程影响较小;级间孔打开后,燃气经级间孔加速后形成高度欠膨胀射流,并在Ⅰ脉冲燃烧室内形成非对称带状低压区;级间孔分布的非对称性,导致压强及温度在发动机燃烧室中呈现显著的三维分布特性;高温区出现在隔板附近,而在装药前端、装药末端及外围级间孔轴线附近出现低温区。     

翼柱型装药固体火箭发动机燃烧室声场分析

燃烧室的声场特性分析是固体火箭发动机声不稳定研究的一个重要组成部分,建 立了复杂装药结构固体火箭发动机的燃烧室声场特性的计算模型,推导了小振幅三维波动方 程,采用有限元法进行仿真,得到了有喷管潜入段和无喷管潜入段的翼柱型装药结构空腔的 声振频率、振型和小扰动时的频率响应特性,分析表明,小扰动出现在声腔不同位置时,声 压响应均出现在声腔固有频率段上,但是声压幅值有较大差异,喷管潜入段的空腔对基频有 强阻尼作用。     

固体火箭发动机推力振荡特性数值研究

为了揭示固体火箭发动机推力振荡特性,以大型助推器P230的缩比发动机为基础,使用大涡模拟方法,对障碍物旋涡脱落诱发的振荡流场开展数值模拟,通过对比燃烧室压力、推力的振频和振幅,总结了推力振幅的估算方法.研究结果表明,推力振幅对压力振幅放大机理的关键参数是喉通比,放大比例与喉通比成反比;奇数阶声振型对推力振幅的贡献最大,偶数阶声振型对推力振幅的影响可以忽略,旋涡脱落对推力振幅的作用小于奇数阶声振型,且随涡/声耦合程度的增大而增强.     

分段固体火箭发动机中声涡耦合现象的实验研究现状

概述了国内外针对大型分段固体火箭发动机中由于声涡耦合而引起的压强振荡现象的实验研究,包括轴向供气和径向供气的冷流实验以及大量的缩比发动机点火试验。一方面,这些实验用来确定和验证定义涡脱落频率的Strouhal数值,其可在一定程度上解释全尺寸发动机振荡出现的时刻和频率的变化;另一方面,研究了绝热环的高度、厚度、材料、位置以及绝热环间距等参数对振荡幅值的影响,为被动控制提供思路。同时发现,头部、段间和潜入式喷管处空腔对压强振荡也有很大影响。     

基于阶梯多根装药的固体火箭发动机内弹道设计方法研究

对于大长径比的固体火箭发动机,采用阶梯多根装药结构设计,可以增加推进剂的燃烧面积,提高发动机的做功效率。针对两段阶梯多根装药结构设计方案,总结出了固体火箭发动机内弹道设计方法;并以某工程项目为背景,完成了火箭发动机的结构设计及装药结构设计,给出了两段阶梯的装药结构、点火药装填方式以及燃烧室和喉部结构尺寸;进行了试验验证分析,表明固体火箭发动机的设计方案完全达到了设计指标要求。在膛压不大于16.8 MPa的情况下,实现了最大推力251.5 k N,持续推力168.7 k N,总冲量大于160 k N·s,工作时间小于900 ms,点火正常,膛内压力稳定。证明了内弹道设计方法的有效性,为阶梯多根装药火箭发动机的总体结构设计和装药结构设计以及开展性能研究工作提供了重要的试验依据。     

无喷管固体火箭发动机的初步实验研究

本文根据片型装药发动机对两种双基推进剂四种复合推进剂在四种药型下的试验结果,分析了在无喷管发动机内压强—时间关系、燃气流速和装药燃速沿通道的变化、特性速度及推进剂特性的影响。论述了推进剂的基础燃速对无喷管发动机工作特性的影响,侵蚀燃烧问题,装药通道内的几何喉面与流场中音速截面的关系等。对无喷管发动内设计有一定参考价值。     

液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

针对液氧煤油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性这一突出问题,建立了喷注单元的低压高频燃烧不稳定性模拟试验系统,使用气气推进剂。利用相似准则设计了缩比燃烧室,研究了全尺寸气液同轴式喷注器的结构尺寸和工作参数对燃烧稳定性的影响。结果表明,激发高频燃烧不稳定性时火焰变短,燃烧室压力出现大幅振荡并伴随啸叫;喷注器缩进室长度对燃烧稳定性裕量有很大影响并存在相对最佳值。试验结果可以指导发动机燃烧室的燃烧稳定性设计和评估,在发动机研制初期筛选燃烧稳定性相对最好的喷注器结构。     

固体火箭发动机装药燃面计算方法

通过引入残值函数记录燃面位置,在笛卡尔离散网格上运用惠更斯原理进行燃面显式推移,实现了固体火箭发动机三维复杂药柱的燃面推移模拟和燃面计算功能;采用此算法分别对具有复杂几何构型的药柱和由不同燃速特性的推进剂构成的药柱进行燃面推移模拟。结果表明,此算法精度高、稳定性好,可准确捕捉燃面交汇、分离、消失等复杂拓扑结构变化,适用于复杂装药的燃面计算。     

点火燃气流量特性对短脉冲推冲器点火过程影响数值分析

短脉冲推冲器的工作时间极短,其点火过程对点火燃气流量特性非常敏感.为提高点火的稳定性和可靠性,优化点火药与主装药能量匹配,应用流体计算软件(Fluent),对不同点火流量特性情况下短脉冲推冲器点火过程进行了轴对称数值分析.结果表明,在点火燃气作用时间τ一定的情况下,点火燃气上升时间τa对点火延迟时间、主装药点火期间燃烧室内最大压强和最高温度有明显影响.当τa>0.3 ms或τa<0.3 ms时,会造成点火期间燃烧室内压强过高.当r=1/n8,r.=0.3 ins时,推冲器点火燃气流量特性与主装药瞬时点火具有较优的能量匹配.     

氢喷射温度对氢氧火箭发动机燃烧稳定性的影响

应用CFD方法对氢氧火箭发动机中高频燃烧不稳定性进行了数值模拟,研究分析了不同工况条件下氢喷射温度对燃烧振荡的影响规律,得出了压力振荡频率变化规律及稳定性极限图。结果表明：在一定的氢喷射温度范围内会发生不稳定燃烧,且随着混合比的增大,发生不稳定燃烧的氢喷射温度上限增大;不稳定燃烧振荡主频呈倍频关系,且在氢喷射温度（70K～110K）内,振荡主频最大。     

多脉冲固体火箭发动机陶瓷舱盖结构分析

针对多脉冲火箭发动机用陶瓷舱盖材料拉压模量不同的特性,利用ANSYS软件建立了平面轴对称有限元模型,分析了隔舱接触面上的压力与摩擦力对舱盖危险点应力的影响。结果表明,无论舱盖凸面受压还是凹面受压,轴心凸面处始终是结构的危险位置;增大结构预紧力并减小接触面的摩擦力可改善舱盖的应力分布。     

前向空腔的弓形激波特性研究

在FD-14A激波风洞中Ma=10流场对前向空腔构型开展试验研究,应用高速阴影技术捕捉弓形激波的平均位置及振荡幅值,利用压力传感器测量空腔底部的脉动压力。在现有无空腔钝头体激波脱体距离预测方法的基础上发展了前向空腔构型的激波脱体距离预测方法,结合国外的试验测量结果与Organ-pipe理论,验证了这种方法的有效性和适用性,且该方法对激波脱体距离的预测结果与FD-14A风洞试验结果一致。此外,基于这种方法讨论了空腔振荡频率预测方法存在的争议。最后,研究了Ma=10流场下球锥体-前向空腔构型的脱体激波振荡幅值与平均速度的规律。     

旋转导弹振荡鸭舵与尾翼远距耦合旋涡干扰实验研究

在高速风洞中对旋转导弹振荡鸭舵与尾翼远距耦合的旋涡干扰特性进行了实验研究。模型由模拟弹身、鸭舵和尾翼组成,其中尾翼有矩形、梯形和三角形三种基本舵面外形。用粒子图像测速(PIV)技术测量了鸭舵尾涡随时间和空间的变化,用快响应压敏涂料(PSP)技术测量尾翼表面的非定常压力分布,用微型六分量气动天平测量尾翼所受的非定常气动力。研究发现:振荡鸭舵尾涡强度沿流向逐渐减弱且旋涡向弹体方向发展;尾翼表面的非定压力分布和气动力与舵面外形和展长相关;展长越长,旋涡影响区越远离翼根,且展长相同时三角舵对尾翼影响最显著。为降低旋涡的干扰,需综合考虑改变旋涡对尾翼的影响区位置和降低旋涡影响强度以进行合理选择。研究结果对降低旋转导弹鸭舵旋涡对尾翼的干扰有重要的参考意义。