固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究

硼颗粒在通过固体火箭冲压发动机的燃气发生器喷管进入补燃室的过程中,颗粒通常都会受到高速气流的作用。此时,静止条件下硼颗粒的燃烧模型不再适应。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧的二维问题建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的显示表达式,并进行了求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。     

亚/超临界环境下航天煤油液滴燃烧理论研究

目前大推力液氧煤油火箭发动机稳定工作时燃烧室达到超临界环境,而现有的液滴蒸发燃烧模型仅适用于亚临界环境,无法用于超临界环境。建立了亚/超临界环境下煤油液滴燃烧仿真计算模型,开展了亚/超临界环境下环境参数对煤油液滴燃烧特性的影响研究。结果表明:随着环境温度的升高,火焰温度大幅增加,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。随着环境压力的增大,煤油液滴燃烧的无量纲火焰半径减小,火焰温度小幅度增大,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。压力振荡环境下,煤油液滴燃烧的液滴蒸发速率、无量纲火焰半径和火焰温度随时间变化曲线的振荡频率与环境压力振荡的频率一致,火焰温度对环境压力振荡尤为敏感。     

硼粉热特性研究

为了研究硼粒子在不同气氛下热特性,采用TGA/DSC和高压DSC对晶体硼粉和无定形硼粉两种形态,在纯氮、纯氧、空气以及氧氮混合(1∶1)气氛和3种压强下进行热分析实验;利用Kissinger法和Ozawa法计算得到无定形硼在空气气氛下的动力学参数.试验结果表明,纯氮气氛下,无定形硼与氮气会发生反应,其反应速度缓慢,放热量小.无定形硼比晶体硼的氧化反应初始温度低,氧化反应更快且更完全.不同氧气浓度条件下,随着氧气浓度的提高,无定形硼反应起始温度提前,反应速率加快,反应更彻底.增加氧气压强,可降低初始反应温度,加快反应速率,提高反应放热量.最终计算得到无定形硼在空气气氛下的活化能E、指前因子A和反应速率常数K.     

热空气中硼粒子燃烧分析

针对硼粒子在热空气中的燃烧,以Mohan G和Williams F A提出的燃烧模型为基础.对较大粒径(d>35 μm)采用扩散燃烧火焰模型.对较小粒径(d<35μm)采用扩散和化学动力学控制模型,应用数学分析方法,研究了硼粒子燃烧规律,得出了热空气中硼粒子半径随时间的变化规律,分析了压强、温度等参数对硼粒子燃烧的影响...     

高温高压环境下煤油液滴蒸发过程实验研究

应用高速摄影系统和图像处理技术研究了煤油液滴在温度473~773 K、压力1.0~4.0 MPa静止气体环境下的蒸发过程,得到了环境温度与环境压力对煤油液滴特性的影响规律。实验结果表明:环境温度低于573 K时,煤油液滴蒸发D2曲线不符合d2定律;环境温度高于673 K低于773 K时,液滴直径变化与d2定律吻合。环境压力对液滴蒸发的影响与环境温度密切相关,环境温度低于473 K时,随着环境压力的升高,液滴蒸发速率变慢;环境温度高于673 K时,随着环境压力的升高液滴蒸发速率加快。     

空间外差光谱技术应用于硼燃烧效率测量探索研究

提出了一种基于空间外差干涉和光谱分析技术的非接触、远程实时测量方法,用于硼粒子的燃烧效率检测.该方法以空间外差光谱仪为主体,结合光栅旋转对辐射谱进行测量.含硼推进剂药片经激光点火后,通过该方法记录燃气辐射光谱,实现对含硼推进剂中硼燃烧效率测量.实验结果表明,燃烧器内氧气含量显著影响硼的燃烧效率;当燃烧器内压强为0.5 ...     

硼粒子直径对点火位置及燃烧效率的影响研究

采用颗粒轨道模型对非壅塞固冲发动机补燃室内不同直径硼粒子的点火及燃烧进行了数值模拟。其中,气相反应简化为一种等效气体的燃烧,硼粒子与O2的燃烧反应模型采用涡耗散模型。硼粒子的点火过程采用King模型,燃烧过程采用化学动力学控制的燃烧模型。结果表明,直径较小的硼粒子能够在补燃室头部点火,且能随气流旋转,驻留时间较长,燃烧较为充分,直径较大的硼粒子与此相反。     

硼粒子的点火及燃烧特性

介绍了硼的物理化学特性和燃烧机理，硼的点火延迟期长、燃烧效率低是由其本身的特性所决定的。改善硼的点火及燃烧特性可以通过控制其粒度，表面包覆、添加低燃点金属等途径来实现。采用ＧＡＰ包覆硼粒吃可以显著降低硼粒子的点火时间，提高了燃烧效率。     

高马赫数来流超燃冲压发动机燃烧流场分析

以模拟自由来流马赫数12的地面试验氢燃料超燃冲压发动机为研究对象,应用商用计算流体力学软件CFD++;针对高马赫数来流下的超燃冲压发动机的典型流场结构、空间释热分布、预混/非预混燃烧模式和火焰稳定机理开展了分析研究。计算中采用7组分、9反应步的氢气/氧气动力学模型,使用壁面函数结合两方程剪应力输运模型,基于雷诺时均化方法开展计算,数值结果与试验数据相符较好。1)验证了CFD++软件在高马赫数来流下的适用性和计算精度;2)分析了高超声速来流下的燃烧室流场特征;3)获得了高马赫来流条件下的发动机燃烧效率、释热区间、预混/非预混燃烧模式的空间分布规律;4)为进一步开展高马赫数下的发动机精细化流场计算和多尺度燃烧过程研究提供了重要依据。     

硼粒子包覆工艺及对硼的表面和燃烧特性的影响

介绍了用ＧＡＰ，ＴＤＩ，ＡＰ，ＴＭＰ，ＬｉＦ，Ｖｉｔｏｎ Ａ硅烷，碳化硼，钛等物质包覆硼粒子的工艺过程，论述了其包覆机理对硼粒表面及点火燃烧特性的影响。表明，在提高硼粒子燃烧效率及改善硼与推进剂体系的相容性方面，硼粒子包覆是最有效的途径；包覆硼粒子可以显著提高含硼推进剂的性能。     

HMX推进剂燃速的温度敏感性

为了阐明双基推进剂基体内HMX粒子的作用,研究了HMX基复合改性双基推进剂燃速的温度敏感性。虽然单位质量推进剂中包含的能量随着HMX重量分数ξ的增加而提高。但是,当ξ<～0.5时,燃速随着ξ的增加而下降。然而,当ξ>～0.5时,燃速又随着ξ而提高。换句话说,在定压下,ξ≌0.5时,燃速为最小值。温度敏感系数随着ξ上升而单调地下降。测试结果表明,当ξ上升时,嘶嘶区的反应速率单调下降,燃烧表面的反应热单调地增加。HMX—CMDB推进剂的这种燃烧模式证明了实测的燃速和温度敏感特性。     

不同助燃方式下硼粉的燃烧机理研究

为研究硼粉燃烧规律，采用两种典型混合方式(干法混合和湿法混合)制备了含不同质量助燃剂双铅-2(SQ-2)的硼粉试样，使用氧弹式量热计测量了硼粉燃烧放热量，同时在量热计上加装压强传感器获得了不同样品在燃烧过程中的压强变化趋势，得到了不同样品中硼粉的有效燃烧时间。结果表明，在SQ-2含量一致时，干法样品在燃烧过程中的升压速率明显大于湿法样品，其最大压强也高于湿法样品；在两种助燃方式下，氧弹中的温度和氧气量均可满足硼粉的燃烧，但SQ-2含量>80%的干法混合中硼粉放热量低，最高仅为34 950 J/g,依然有约40%硼粉没有燃烧，其硼粉有效燃烧时间仅约有29 ms。分析认为，干法混合中样品为粉末状，燃烧迅速，当SQ-2含量>80%时，其燃烧产生的高速气体将硼粉喷溅在氧弹壁上或者氧弹底部，硼粉受“冷壁效应”影响明显而导致无法继续燃烧，而湿法混合中SQ-2与硼粉接触紧密，硼粉受“冷壁效应”影响不大，SQ-2燃烧产生的热量和气体更容易加热硼粉，加上硼粉自身的放热，延长了硼粉的高温燃烧时间，助燃效果好，燃烧效率高。     

《固体火箭技术》第30卷（2007年）总目录

第1期火箭研究及应用火箭弹气动学科代理模型构建方法研究………赵良玉,等(1)滑跃式高超音速巡航飞行器设计初步研究………詹浩,等(5)发动机水冲压发动机掺混燃烧数值分析………………田维平,等(9)水反应金属燃料发动机比冲性能与燃烧室长度设计理论研究…………………………………………………胡凡,等(12)非壅塞固冲发动机补燃室内凝相颗粒运动规律研究…………………………………………刘佩进,李强(17)固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究……………………………………………胡建新,等(21)超燃冲压发动机燃烧室亚/超燃模…     

高纯硼粉的特性及其在富燃料推进剂中的应用研究

通过SEM、XRD、pH计、X射线荧光光谱仪和HAAKE流变仪等研究了高纯硼粉的物化特性,并重点研究了其用于富燃料推进剂的燃烧性能.结果表明,高纯硼粉中大部分颗粒不规则,但在微观上呈晶体结构.由于高纯硼粉表面B2O3、H3BO3杂质非常少,硼粉与水悬浊液的pH值接近中性,硼粉在HTPB粘合剂中的屈服值和表观粘度较小,且随混合时间增加,屈服值和表观粘度保持不变.通过290～407 ℃范围内高纯硼粉富燃料推进剂热分解过程的质量损失可定性认为,高纯硼粉参与凝聚相反应的活性高于无定形硼粉.燃烧性能研究表明,含高纯硼粉的富燃料推进剂低压下正常燃烧,燃烧特性与无定形硼粉相同,实测燃烧热和燃烧效率较高.     

AP粒度和包覆层对硼燃烧的影响

通过对AP和硼及其混合物进行热分析实验,研究了硼在AP分解过程中参与反应的程度;用氧弹式量热计测试含硼富燃料推进剂的爆热,分析硼在推进剂燃烧过程中的放热。结果表明,对各组分含量相同的含硼富燃料推进剂用AP包覆硼粒子和提高超细AP含量可促使硼在AP分解过程中参与反应,使AP／B(1：1)热分解的放热量增加,提高推进剂的爆热,有利于推进剂中硼的燃烧。     

水反应金属燃料发动机三维两相燃烧数值模拟

用三维湍流N-S方程及颗粒轨道模型描述水反应金属燃料发动机内部喷雾两相湍流燃烧过程。通过耦合求解气液两相流模型方程,得到发动机燃烧流场。通过模拟Mg与水的反应,分析比较了一次和二次进水方案的不同流场特性。研究结果表明,二次进水方案更有利于火焰稳定和提高燃烧性能。     

硼粉燃烧热的测量

硼因高的体积热值成为首选高能组分添加剂。为了对硼粉的燃烧热进行更准确的测量 ,使用氧弹式量热仪,采用SQ-2作为助燃剂,通过实验研究了助燃剂质量、形状以及氧 弹内氧气压力对硼粉燃烧热测试结果的影响。结合硼的两阶段燃烧模型,指出燃气温度是影 响硼粉燃烧效率的关键参数。建立了氧弹内燃气极限温度的理论计算模型,给出计算温度与 硼粉燃烧效率之间的关系。结果表明升高极限温度是改善硼粉燃烧热的测量的有效手段。     

硼在冲压发动机中应用的特点、展望和问题

本文讨论了与液体冲压、固体通道增压和固体冲压发动机有关的理论能量特性、性能和实际问题。证明了在这些发动机中,尤其是在限制体积的系统中,用硼比用碳氢化合物作燃料将获得显著的理论能量增益。可是,由于硼的燃烧性能差、点燃温度高(1900K),因此要获得高的燃烧效率就须给燃烧系统施加许多特殊的限制。含硼量高的固体燃料和推进剂呈现不规则燃烧,引起推力波动,而且硼粒子的凝聚物由于在燃烧室内停留时间不够充分,可能出现不完全燃烧。     

固体火箭发动机喷管两相流动计算

采用MacCormark格式与特征线法联合的方法求解了固体火箭发动机喷管两相流场。在跨音速段,气相控制方程用基于MacCormark格式的时间相关法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解;在超音速段,气相控制方程用MacCormark两步显格式空间步进求解,粒子方程仍采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,两相充分偶合。在控制方程中考虑了三氧化二铝颗粒的相变。最后对JPL喷管进行了计算,并讨论了不同质量分数对流场的影响。     

旋流式气／液同轴喷嘴常压雾化燃烧实验研究

利用相位多普勒粒子分析仪,对两种旋流式气/液同轴喷嘴进行了模拟实验研究,获得了冷流模拟条件下和常压燃烧条件下的喷嘴雾化参数分布,以及常压下喷雾流稳定燃烧的条件,分析了该型喷嘴的常压雾化燃烧特性.同时,使用红外热像仪测量了常压条件下喷雾流燃烧的温度分布,分析了火焰结构,定性研究了喷嘴形式和工况对燃烧性能的影响.