空气涡轮火箭发动机内外涵气流掺混研究

通过无化学反应、均匀进气条件下肼单组元空气涡轮火箭发动机混流燃烧室内流场的数值计算,得到了流向涡与正交涡系产生、衰减演变过程及其对内外涵气流掺混效率的影响规律。结果表明,大尺度阵列二次环流诱导形成的流向涡对内外涵气流掺混起主导作用,大波瓣穿透率的斜切波瓣混流器的综合性能较优。结合热试车结果,分析了包括波瓣混流器在内的两类掺混方案的强化掺混效率。分析表明,非均匀进气条件对小尺寸空气涡轮火箭发动机掺混燃烧效率影响很大。     

基于混合燃料的旋转爆震发动机燃烧室冷态流场研究

为研究基于混合气体燃料的旋转爆震发动机燃烧室内流场特性,对混合气体燃料(H2+C2H4+C2H2)与空气在燃烧室内掺混的冷态流场进行了三维数值仿真研究。根据数值仿真结果,系统地描述了燃烧室内混合气体的流动特性,对比分析了不同喷注结构(燃料喷注深度、空气喷注环缝宽度)及不同的气体质量流率等因素对三维冷态流场及掺混的影响,并用掺混不均匀度定量评价了混合气体燃料与空气掺混的程度。研究结果表明,在文中给定的计算参数条件下,随着空气环缝宽度的增大,掺混效果能够得到一定提升;随着燃料喷注深度的增大,掺混效果有所下降;随着空气及燃料的质量流率的增大,燃烧室头部掺混效果略有下降,在中部掺混效果得到提升。     

TSPR涡轮增压器出口方式对掺混燃烧的影响

针对涡轮增压器出口气流进入涡轮增压固冲发动机(Turbocharged Solid Propellant Ramjet,TSPR)补燃室后,因同轴流动而造成掺混燃烧效率不高的问题,通过对比研究ATR(Air Turbocharged Ramjet)及固冲发动机掺混燃烧增强手段,形成了一种可有效增强TSPR补燃室掺混燃烧效果的方案。继而通过数值模拟的手段对该方案的有效性和内在机理进行了讨论。最后通过TSPR工作模式的数值模拟,发现在不同富燃燃气余气系数状态下补燃室效率均能保持90%以上,验证了该方案的有效性和适用性。根据这些研究,该文认为保留驱涡燃气高速旋流配合增压空气采用一定射流角度进入燃烧室的出口流动方式能够使TSPR补燃室有效工作,燃烧效率相对原有ATR模式能够提高1倍以上;其中涡轮的旋转速度高于40 000 rpm时,经过涡轮膨胀做功的驱涡燃气使发动机比冲和补燃室温度分布情况都比较理想;增压空气采用40°~50°的射流角进行斜向射流对发动机比冲性能提高和补燃室内温度分布改善是比较有利的。     

RBCC燃烧室超声速反应混合层特性的大涡模拟

以飞行马赫数为4.5Ma的RBCC发动机典型工作状态为研究背景,采用大涡模拟研究了支板火箭射流和空气来流形成的超声速反应混合层的掺混燃烧过程,获得了燃烧室内详细的流场结构和流动特征,分析了强射流条件下超声速反应混合层的特性。结果表明由于速度梯度的存在,火箭射流进入燃烧室后与空气来流形成环形剪切层,剪切层内丰富的旋涡结构主导火箭射流和空气来流的掺混燃烧,随着湍流能量的串级输运,化学反应过程中释放的能量将被转化成细观尺度的湍流动能,大尺度旋涡将能量传递给小尺度旋涡并最终耗散,细小尺度的旋涡一方面能够促进燃烧反应物的掺混并强化燃烧过程,另一方面会给化学反应过程带来强烈的脉动,使得局部火焰淬灭,火焰结构表现出明显的非定常性。     

固冲发动机补燃室冷流掺混效果与燃烧效率对比研究

在燃气参数相同的条件下,定量分析了多种空气进气形式下的冷流掺混效果和燃烧效率,对其反应流场进行模拟,得到各自的燃烧效率曲线。通过掺混效果和燃烧效率的对比研究,结果表明,冷流掺混效果并不能完全反映二次燃烧效率,原因在于冷流流场分析仅考虑了纯气相流场的掺混效果,而未考虑两相流作用;金属粒子滞留时间对燃烧效率有很大影响。研究结果还表明,提高补燃室燃烧效率,除改善掺混效果外,还应设法延长金属粒子滞留时间。     

下颌式进气道固冲发动机二次燃烧性能研究

针对采用下颌式进气道的固体火箭冲压发动机,建立了二次燃烧性能计算模型,对掺混燃烧性能进行了仿真研究。研究表明,采用掺混装置可大幅提升下颌式进气道的固冲发动机补燃室一次燃气和空气的掺混均匀度,并通过数值仿真对掺混装置进行了优化。结合数值仿真优化结果,通过地面直连试验,验证了不采用与采用掺混装置的补燃室二次燃烧性能。试验结果表明,合理设计掺混装置,可显著提高补燃室二次燃烧性能,特征速度燃烧效率均在93%以上;空燃比在6~20之间的发动机高空比冲提升了55%以上,空燃比在20~30之间的发动机高空比冲提升了75%以上。     

非壅塞固体火箭冲压发动机二次燃烧室进气方案研究

用k-ε湍流模型以及EBU燃烧模型。对固体火箭冲压发动机二次燃烧三维反应流场进行了数值计算,研究了空气射流与富燃燃气射流动量之比、射流速度和燃气发生器喷管数量对二次燃烧的影响。研究结果表明,当空燃动量比在一定范围内时。若空燃动量比变大,则二次燃烧效率升高;降低空气和燃气射流的速度有利于二次燃烧效率的提高;并且增加燃气发生器喷管数量能增强燃气与空气在头部的掺混效果,为燃烧创造良好的条件。     

燃气喷注条件对中心支板式固体冲压发动机燃烧性能影响研究

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超声速空气流的燃烧室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。提出了一种基于中心支板燃气喷注的含硼固体火箭超燃冲压发动机方案,开展了模拟马赫数6.0、高度25 km来流条件下的地面直连试验和数值仿真研究,验证了该方案的合理性和优势,并获取了燃烧室内的燃烧特性,探寻了固体燃气喷注方式对燃烧室性能的影响规律。结果显示,相比于中心支板喷注方案,侧壁喷注存在总压损失大、反压激波串长度大、进气要求严苛等问题,但能够增强掺混,提高燃烧效率,缩短燃烧所需距离;而在中心支板式固体冲压发动机中,在燃烧室侧壁面引入较小流量的一次燃气,可以增大固体颗粒在燃烧室内的穿透深度,提高燃烧效率和燃烧室性能。     

含硼富燃燃气燃烧实验研究

为实现固冲发动机二次燃烧模型验证,结合固冲发动机工作条件,设计了一种带透明观察窗燃烧实验装置;营造了简单的燃烧环境,实现了燃烧过程掺混作用的弱化;借助高速摄像进行了以空气速度作为单一变量的含硼富燃燃气燃烧可视化测量,获得了火焰形态结构;采用高速数据采集,获得了燃烧室压力;将实验数据与数值模拟结果进行了对比和分析。结果表明,燃气与空气速度相近时,火焰呈锥角结构,硼粒子的点火距离较长;燃气与空气速度差较小时,同一位置燃烧室压力较大;燃气与空气速度近似程度决定火焰的形态;数值模拟结果与实验结果基本吻合。     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超音速空气流的补燃室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的建模及特征研究

建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计状态数学模型,提出了燃烧室燃气与空气配比的关系,分析了压气机增压比、涡轮进口燃气总温和涡轮落压比对燃烧室油气比的影响,以及固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计特点。基于涡轮压气机功率平衡条件、静压相等的掺混条件和尾喷管流量匹配条件,建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的非设计状态数学模型。     

SMC模式下RBCC发动机4Ma工况性能仿真

为研究SMC模式下火箭混合比对RBCC发动机性能的影响规律,完成了氢/氧火箭推力室中心布局、二元定几何结构模型发动机飞行马赫数Ma0=4、高度H=17 km弹道点流场仿真,获得了不同火箭混合比(MR=2、3、4、5、6、8)及燃烧室长度的推力、比冲性能.研究表明:在火箭燃气富燃条件下(MR<8),产生了正的火箭推力增益...     

湍流、喷雾模型对氢氧火箭发动机燃烧仿真的影响

基于完善的压力隐式算子分裂(PISO)算法,通过改变κ-ε两方程湍流模型和喷雾模型,对氢氧火箭发动机不稳定燃烧进行数值仿真。比较理论分析和数值仿真的结果得出,在二维情况下,液滴碰撞模型和TAB液滴破碎模型不适于模拟氢氧火箭发动机不稳定燃烧;TVB液滴破碎模型与κ-ε两方程湍流模型的组合情况能够捕捉到燃烧室中的压力振荡,但不能体现出振荡频率;而采用Realizableκ-ε湍流模型不考虑液滴雾化模型时不但能够捕捉燃烧室内压力振荡情况,还能够很好地得出振荡频率的分布情况。     

气驱预压涡轮泵对发动机液氧路频率特性影响

液氧/煤油补燃循环发动机液氧路频率特性对于火箭POGO振动和发动机动力学特性具有重要的意义.以某型液氧/煤油补燃循环发动机氧路流体系统为研究对象,重点考虑气涡轮和泵动态特性的影响建立了系统线性化小偏差频域模型.应用复系数状态空间矩阵法计算了气涡轮压比、氧预压泵动态增益、燃气掺混段特性对系统频率特性的影响.研究结果表明:...     

加扰流环双组元LAE的流场数值仿真

采用交错网格系统SIMPLE算法和二维两相流场燃烧模型，对有不同形状(矩形、圆弧三角形及其混合结构)和位置扰流环的某双组元液体远地点发动机(LAE)流场进行了数值仿真计算。结果表明，扰流环对提高燃烧效率作用明显。环的位置应适中(不能过于靠近头部和喷管出口处)，其高度越大，燃烧效率越高。另外，矩形环的压力损失大于三角形环。     

500t级液氧煤油补燃发动机起动过程仿真研究

500t级液氧煤油补燃发动机是我国首台采用双推力室方案、自身分级起动方式的重型液体火箭发动机。结合重型发动机特点建立了描述发动机起动过程的数学模型,通过数值仿真分析了影响发动机起动特性的主要因素,确定了发动机的起动方案。研究结果表明：液氧主阀和发生器燃料阀打开时差应确保发生器点火在氧头腔充满后进行;流量调节器的转初级起始时间应早于推力室建压时间;燃料节流阀转大流量应在发动机起动受控段进行。     

超声速燃烧不稳定性研究进展

对超声速燃烧不稳定性这一新兴领域的研究进行了综合评述,并对未来研究进行了展望。首先分析了超声速燃烧不稳定性现象的基本特性及其影响因素;随后讨论了超声速燃烧不稳定性的多种机理;接着概括了基于上述机理的超声速燃烧不稳定性建模;最后对超声速燃烧不稳定性还需重点研究的方向给出建议。综述表明,超声速燃烧不稳定性的现象、机理和建模都还需持续开展研究,特别需要关注的是燃烧室构型布局和燃料喷注方式对超燃冲压发动机燃烧不稳定性现象的影响,在超声速混合层和射流等典型流动中更深入探索超声速燃烧不稳定性机理,基于超声速燃烧系统的湍流时空演化特性进一步发展超声速燃烧不稳定性模型。