固体火箭发动机尺寸对喷管两相流动的影响

本文用一维两相喷管流动程序对几何相似的发动机(用同一种推进剂)进行了计算,得出了发动机尺寸越大,两相流损失越小的结论。     

固体火箭发动机燃烧室中的颗粒轨迹

用气相与颗粒场耦合的轨迹模型法计算了固体火箭发动机燃烧室两相流中的颗粒运动轨迹。结果表明： 颗粒轨迹受颗粒尺寸大小、颗粒初始速度的大小和方向以及气相运动特性等影响。燃烧室中的两相流动是一种非常滞后的非平衡流动。颗粒尺寸越大, 惯性越大, 随流性越差。尺寸相差较大的颗粒可能有完全不同的轨迹。在一定条件下,颗粒会穿过通道的中心线,甚至打到对面壁上并反弹。颗粒会受气相旋涡的影响, 甚至有可能卷入旋涡     

固体火箭喷管颗粒尺寸分级两相跨音速流场计算

本文中对固体火箭喷管颗粒尺寸分级的两相跨音速流场作了计算.气相控制方程采用隐式近似因子分解法求解,尺寸分级的颗粒控制方程采用特征线求解,然后,二者进行充分的耦合,可以获得固体火箭发动机含有任意颗粒质量分数和不同颗粒尺寸时轴对称喷管跨音速流场的参数分布.文中讨论了不同颗粒半径和质量分数对流场的影响,对单一颗粒尺寸和颗粒尺寸分级的参数进行了比较.两相耦合计算的迭代收敛速度取决于气相,本文中气相方程求解的格式除部分边界外是隐式的,CFL数可取至6左右,收敛速度快.特别是对颗粒尺寸分级的计算,得益更大,其得益的倍数为颗粒的分级数.     

聚集状态下凝相颗粒的收集与测量

发展了一种可以收集燃烧室中聚集状态颗粒的方法,研制了收集实验装置。数值计算表明,通过改变实验装置的收敛角和实验状态参数可以模拟真实发动机中的颗粒聚集状态。利用该实验装置开展了聚集颗粒收集实验,实验工况模拟了某高过载发动饥在横纵向过载均为40g时的颗粒聚集状态。对实验收集到的颗粒进行了电镜分析,发现大颗粒是由多个小颗粒聚合而成,说明聚集状态下颗粒间碰撞聚合的概率大大增加。对粒径分布进行了半定量的统计,与非聚集状态下的发动机燃烧室中的粒径分布作了比较,证明聚集状态下粒径要比非聚集状态下的大得多。     

过载对丁羟三组元推进剂燃烧特性的影响

为研究过载对丁羟三组元推进剂燃烧特性的影响,设计了兼具燃速测量和凝相产物收集功能的过载实验发动机。利用过载实验方法,研究了不同过载大小（?50g～+50g）对燃烧室压强、平均燃速、瞬态燃速、凝相产物和发动机羽流的影响。研究表明:①反向过载对燃烧室压强和推进剂燃速几乎没有影响。随着正向过载的增大,燃烧室压强和推进剂燃速增大。②与无过载相比,燃烧室压强在+10g过载下增加35.8%,+30g过载下最大压强增加69.9%,+50g过载下最大压强增加76.8%,且在+30g过载和+50g过载下出现了“驼峰现象”。③与0g相比,+10g过载下燃速增加21%,+30g过载下燃速增加40%,+50g过载下燃速增加44%;+30g和+50g过载下,瞬态燃速先增加后减少,最大值随过载增大而增大,达到最大值的时间随过载的增大而减少。④药杯内的碳和单质铝含量随过载的增大而减小,从?50g过载到+50g过载,分别减小100%和82.28%,氧化铝随过载的增大而增大,增加了402.17%,收集装置内几乎不含碳和铝单质。且收集装置内凝相产物的粒径随正向过载的增大而减小。⑤过载对发动机羽流颜色有显著影响;反向过载下,发动机羽流火焰呈现黄色,且伴随明亮的火星;正向过载下呈现紫色。      

颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了两套冲刷状态可调的烧蚀实验发动机,开展了颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究。结果表明,冲刷速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素;颗粒冲刷速度较低时,即使颗粒浓度很高,烧蚀率也并不是很大;对烧蚀数据进行的回归分析表明,最大线烧蚀率与颗粒冲刷速度平方接近正比关系,而颗粒浓度的影响非常小。     

固体火箭发动机喷管喉部凝相颗粒粒度分布实验

设计了一种新的收集固体火箭发动机喷管凝相颗粒的实验装置,针对典型的HTPB复合推进剂,开展了喷管喉部凝相颗粒的收集实验和粒度分析,研究了燃烧室压强和收敛角度对喷管喉部颗粒粒度分布的影响规律。研究结果表明,喷管喉部的凝相颗粒在0.27～50μm之间都有颗粒存在,凝相颗粒主要集中在0.3～15μm之间,粒径大于15μm的颗粒较少;燃烧室压强对颗粒粒径有较大影响,随着燃烧室压强的升高,凝相颗粒粒径变小,粒度分布更为集中;燃烧室压强相同的条件下,收敛角度对喷管喉部的凝相颗粒粒度分布影响较小。     

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%。     

固体火箭发动机中声场对凝聚相粒子的影响

为研究固体火箭发动机中声场对凝聚相粒子的影响,将连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型应用于固体火箭发动机中多物理场作用下的粒子行为研究,获得了发动机声场与凝聚相粒子的耦合作用规律.结果表明:CFD-DEM模型可以获得其他模型无法得到的颗粒微观信息,包括颗粒与颗粒间的碰撞、颗粒与壁面的碰撞以及颗粒与气相间的相互作用等...     

燃烧室中平均流速对速度耦合与压力耦合的影响

对热力发动机中存在的线性振荡燃烧的研究，通常假设速度耦合与压力耦合的作用独立无关且作用结果可以线性相加。本文通过对压耦合与速度耦合现象的分析，说明了使这一假设不合理的平均流速界限，并给予了实验证明。     

一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游流动特征的影响

为探索一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游流动特性的影响,采用PIV测速技术对小尺寸旋流杯下游速度分布特征进行了试验测量。结果表明:不同入射半径的一级旋流会形成扩张流场或扩张-收缩-扩张流场;入射半径方向相反、数值不同将对旋流杯下游流动产生不同影响;旋流杯下游流场涡量分布与同一方案的速度分布相似,旋流杯出口平均涡量较强的旋流沿流向涡量逐渐衰减,且速率变缓;不同一级旋流入射半径的旋流杯方案的平均涡量变化趋势基本一致。在所研究的试验状态下,一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游速度和涡量分布特征产生了较大的影响。     

固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素研究

为了获得以飞行马赫数5.5巡航工作的固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素,开展了地面直连试验和数值模拟研究.利用数值手段研究了固体燃气喷注方式、扰流装置的形式以及燃烧室扩张比等因素对燃烧室性能的影响规律,获得了高燃烧效率(≥90％)的壁面垂直喷注式发动机燃烧室构型.研究表明:(1)壁面垂直喷注方式能增强富燃燃气与空气...     

颗粒参数对轴对称超声速气固两相流喷管性能的影响研究

为了探究凝相颗粒参数对固体火箭超燃冲压发动机尾喷管性能的影响规律,本文使用数值仿真方法,研究了颗粒的粒径、温度、入射角度及入射部位对轴对称超声速两相流喷管性能的影响。采用轴对称RANS控制方程和SST k-ω湍流模型模拟气相流场,颗粒轨迹则利用欧拉-拉格朗日方法计算。通过与文献试验结果对比,验证了数值方法的有效性。结果表明,增强两相之间的能量交互作用,是提高喷管性能的根本原因。减小颗粒粒径、提高颗粒温度、增大颗粒入射角和颗粒入射部位靠近壁面,均能增强两相之间的能量交互作用。其中,颗粒粒径变化对性能的影响最大,达到9%左右;颗粒温度次之,约为3%;颗粒入射角和入射区域对性能的影响较小,分别为1.2%和1.4%左右。     

过载对固体发动机凝相粒子运动的影响分析

为了获得过载对固体发动机凝相粒子运动规律的影响,采用理论分析和数值仿真相结合的方法,分析了不同过载条件下凝相粒子运动及壁面粒子浓度分布情况。结果表明,横向过载将改变粒子的运动轨迹,引起粒子在发动机内部停留时间的增加;在过载条件作用下,燃烧室筒段壁面和喷管收敛段壁面均存在粒子浓度局部增大的区域,呈现多峰分布现象;不同横向过载、轴向过载条件通过改变粒子的偏转方向和随流性,最终导致燃烧室壁面和喷管收敛段壁面粒子浓度的改变。     

气-粒两相流对燃气舵工作性能的影响

为了研究气-粒两相流对固体火箭发动机燃气舵的影响,基于固体火箭发动机燃气舵的工作特点,在求解二维Navier-Stokes(N-S)方程的基础上,分别对有无颗粒相的流场进行了数值模拟,并且考虑了颗粒直径为1,10μm和30μm,颗粒质量分数为15%,20%和30%,舵偏角为0°,5°,10°及15°的各种组合工况.结果表明,在相同外界条件下,有颗粒相时舵表面的压力要大于无颗粒相时的表面压力,而且这种差别在迎风面和舵片前半部分表现得比较明显;在气动性能方面,有颗粒相时升力和阻力都要比无颗粒相时大,这种差别随颗粒直径的增大而减小,在一定颗粒质量分数范围内,随颗粒质量分数的增加而增大.      

吸收剂颗粒尺寸对吸波材料性能的影响

对最佳的吸收剂颗粒粒度进行数值计算和分析。从趋肤效应和单个磁畴颗粒大小两个角度,以纯铁粉为例对最佳的粒度做了分析,结果表明,对于2~18 GHz的雷达波,铁粉颗粒在16 nm~1μm为好。还分析了利用纳米颗粒的量子尺寸效应来吸收电磁波时颗粒的尺寸范围,计算结果表明,此时颗粒尺寸至少应小于22 nm。     

两相流对固体火箭发动机塞式喷管性能的影响

针对固体火箭发动机中气固两相流对塞式喷管性能的影响,利用颗粒轨道模型法计算了环喉型塞式喷管两相流流场,辨识颗粒在流场中的运动轨迹,分析不同粒径颗粒对流场及推力性能的影响。结合传统钟形喷管,比较不同工况下塞式喷管与钟形喷管的推力性能,分析气固两相流对塞式喷管高度补偿特性的影响。结果表明：随着颗粒粒径的增大,颗粒会出现交错式的运动,增加了流场的复杂性;单个颗粒与该截断式塞锥只会发生一次碰撞,且粒径越大,碰撞位置越靠前;单一粒径颗粒带来的推力性能损失与颗粒粒径成正比,与工作压比成反比;真实工作条件下,相比于钟形喷管,气固两相流在设计工况对塞式喷管带来约3%更多的推力效率损失,推力效率最终趋于弱于钟型喷管2.7%,但塞式喷管在低压比工况仍具有可观的性能优势。     

固体火箭发动机喷管入口和喉部内型面对比冲的影响

本文介绍一种火箭喷管入口和喉部处燃气—颗粒混合物流场的计算模型。定常状态燃气流场按长时间的渐近解计算,颗粒流场则假设为准定常流。然后,将这个模型与超音速燃气-颗粒流场特征线解方法结合。本文介绍了计算方法,说明了喷管入口角、喷管喉部曲率半径比、喉部尺寸和颗粒大小对发动机比冲的影响,并且将计算结果与少量发动机的点火试验数据作了比较。     

进气道位置对含硼推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响

为了提高含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒的燃烧效率,采用颗粒轨道模型进行了补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补然室内简单反应流模型,并在该模型下研究了进气道的位置对非壅塞固体火箭冲压发动机燃烧效率的影响,在此基础上进行直连式试验研究。结果表明:随着前后进气道之间轴向距离增加,燃烧效率先增加后减小,并且试验重复性比较好;前进气道后置长度增加,燃烧效率减小。     

飞行高度对固体火箭两相喷焰流动与辐射的影响

针对某模型固体火箭发动机,基于欧拉离散相模型描述气-固两相相互作用,采用详细化学反应机理计算喷焰复燃效应,基于逐线积分法加米散射理论求解气体及粒子辐射物性参数,通过视在光线法计算辐射传输,并利用测量数据验证了模型的适用性,仿真分析了不同飞行高度对气固两相喷焰流动及辐射特性的影响.研究结果表明:随着飞行高度增加,喷焰中燃...