旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机药柱表面传热以及燃速的影响

为研究旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机(SFRJ)药柱表面传热以及燃速的影响,以高密度聚乙烯(HDPE)为燃料,对旋流和无旋工况下的固体燃料冲压发动机进行了连管实验研究,并且编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序,采用流固耦合传热的方法以及非定常时间推进方式,对实验工况进行了数值模拟。结果表明:①药柱表面热流密度对燃速有显著影响,在回流区与附着点处,药柱表面的对流换热能力要明显优于再发展区;②在旋流工况下,在离心力与切向速度的作用下,使热解产物在药柱表面附近区域停留时间更长,有助于热解产物的充分反应,并且明显增强药柱表面对流换热能力,与无旋工况相比,提高幅度可达100%,并且在旋流工况下发动机可更快建立自持燃烧;③通过实验研究发现,旋流的引入提高发动机的燃速有积极作用,增幅可达26%,但会导致固体燃料冲压发动机补燃室压强出现周期性振荡。      

旋流燃烧室构型对固体燃料冲压发动机自持燃烧性能影响

为研究燃烧室构型对引入旋流的固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃烧特性的影响,通过改变药柱内径以改变相对台阶高度,利用高密度聚乙烯(HDPE)为固体燃料,对4种不同相对台阶高度的冲压发动机进行了旋流和直流连管实验,其中旋流工况的旋流数为0.6。利用Fortran语言编制CFD计算程序,对其中多个旋流工况进行了数值模拟,利用相关实验验证了计算程序的可靠性。仿真以及实验结果表明,在旋流工况下,相对台阶高度对火焰稳定以及燃烧特性有显著影响,当相对台阶高度为1.5时,旋流工况下发动机无法自持燃烧;在1.75相对台阶高度工况下,药柱表面热流密度与燃速均高于其他工况,且药柱平均燃速以及药柱表面热流密度会随相对台阶高度的升高而降低,最终趋于平缓;相对台阶高度的改变对特征速度与推力的作用不大,而在无旋工况下,特征速度和推力则随相对台阶高度的增加而增加。     

旋流与炭黑对聚乙烯固体燃料冲压发动机工作性能的影响

为探究旋流与添加炭黑对聚乙烯推进剂固体燃料冲压发动机工作性能的影响,采用实验和数值仿真相结合的方法进行研究。结果表明:在聚乙烯中加入质量分数为5%的炭黑可以提高补燃室压强和温度,增大燃烧室内高温区面积,且对推进剂燃烧效率、发动机工作性能以及发动机燃烧稳定性具有积极作用。与聚乙烯推进剂相比,含炭黑推进剂在无旋工况下可使发动机平均燃面退移速率提高15%,特征速度提高4%,推力提高11%。在旋流工况下,添加炭黑可使推进剂平均燃面退移速率提高29%,特征速度提高8.5%,发动机推力提高22.3%。结果表明:在添加炭黑和旋流的共同作用下,对发动机工作性能提升更加明显。相比于无旋工况而言,旋流的引入有助于燃气与来流空气的掺混,提高推进剂燃烧效率,对推进剂燃面退移速率提升具有积极作用。     

旋流对固体燃料冲压发动机燃烧过程的影响

针对旋流数对固体燃料冲压发动机燃烧流场的影响,进行了不同旋流数(s=0,0.2,0.4,0.6)工况下固体燃料冲压发动机直连式试验研究,固体燃料采用高密度聚乙烯（HDPE）,并对s=0.6和s=0两个工况进行数值仿真研究.试验和数值仿真结果表明:旋流的引入有助于火焰稳定,对提高补燃室压强和燃速有积极作用.在旋流工况下会使药柱表面热流密度高于无旋流,并使燃烧室中的化学反应更加充分.高强度旋流的引入会使燃烧更加充分,燃烧效率有所提高.      

推进剂组分对固体燃料冲压发动机性能的影响

为研究不同组分推进剂对固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃烧性能的影响,以添加了石蜡、炭黑以及炭纤维的聚乙烯(PE)为推进剂,采用连管点火实验装置对SFRJ进行了研究。用扫描电镜观测了燃烧后的燃面形貌。用三维扫描仪和数据重构方法获得了燃速三维分布。根据实验所获数据进一步计算得到不同工况下SFRJ工作性能参数。结果表明:加入5%的炭纤维会阻碍聚乙烯基推进剂燃烧表面的机械剥蚀,影响热解过程,使其无法自持燃烧。通过燃速三维分布发现了开尔文-亥姆霍兹不稳定现象。在聚乙烯基推进剂中添加炭黑和石蜡均能够提高燃速,石蜡影响更明显。石蜡质量分数为30%、50%以及纯石蜡的推进剂比聚乙烯分别提高了375%、514%和544%。最后拟合得到了聚乙烯基推进剂平均燃速与石蜡质量分数呈指数递增关系。     

基于高分辨率数据重构的固体燃料冲压发动机燃料平均燃速测试

采用一种非接触主动式扫描和结构光栅投影定位技术,对以高密度聚乙烯(HDPE)为推进剂的固体燃料冲压发动机地面实验后药柱内孔燃烧形貌进行了三维点云数据重构,获得了固体燃料内表面当地平均燃速的三维分布云图。研究发现:①通过该方法计算所得药柱燃烧去除质量与实验后实际质量变化量误差在0.1%内,精度满足用于固体燃料燃速的评估要求;②构建的数据重构燃速测试方法能真实反映燃料药柱结构变化,且具有一定的适用性;③通过该方法得到了当地平均燃速与总平均燃速的关系并通过线性拟合的方法得到了燃速与来流空气质量通量关系。通过对该方法的验证分析,认为所提出的燃速测试方法对深入研究固体燃料冲压发动机燃速具有一定的参考价值。      

固体燃料冲压发动机燃速理论分析与数值模拟

从理论和数值模拟两方面探讨了固体燃料冲压发动机 (SFRJ)燃速影响因素, 给出了平均燃速与入口空气流量、空气温度以及燃烧室压强之间的指数关系式, 同时考虑了燃速沿轴向的变化。与实验数据的比较表明, 本文提出的模拟方法是正确而且可靠的。所得结果对于固体燃料冲压发动机设计和实验均具有一定指导意义。      

带有中心钝体的固体燃料冲压发动机工作性能分析

为提高固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能,提出了带有中心钝体的固体燃料冲压发动机方案,基于雷诺转捩和涡概念耗散方程建立了其湍流燃烧模型,并数值计算分析了其内流场、燃面退移速率、推力与总压损失。结果表明：带有中心钝体的冲压发动机内部流动过程较为复杂,钝体后部有四个漩涡,增强了发动机内来流空气与燃气的掺混;钝体孔隙中的高速气流与两侧的小尺度漩涡保证了钝体尾涡的稳定性;与普通固体燃料冲压发动机相比,在燃烧室中增加中心钝体能增大燃烧室内高温区面积,提高补燃室内温度,可使推进剂平均燃面退移速率提高26.11%,发动机推力提高22.12%,燃烧效率提高8.9%。     

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性试验

为研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,进行了直流与旋流对比直连式试验。固体装药内径40mm,长180 mm,成分为HTPB中加入65%的金属粉末。试验发动机采用火炬式点火器点火,空气由燃烧补氧式空气加热器加热至690 K,热空气流量300 g/s。试验测量了压力、推力等参数,使用监控录像对发动机尾焰进行拍摄,通过测量试验前后装药质量差获得固体燃料平均燃速。旋流试验未将旋流器伸入燃烧室即实现了火焰稳定,且旋流燃烧比直流燃烧表现出更好的稳定性,平均燃速较直流提高近50%。旋流燃烧尾焰存在明显的径向扩张,表明尾焰仍有切向动量,损失了部分推力。     

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

Three-dimensional numerical analysis on combustion performance and flow of hybrid rocket motor with multi-segmented grain

This paper presents the combustion characteristics in hybrid rocket motors with multi-segmented grain through three-dimensional numerical simulations. Multi-segmented grain is composed of several thin grains with two or more ports. The numerical model consists of Navier-Stokes equations with turbulence, solid fuel pyrolysis, chemical reactions, a fluid–solid coupling model and a regression rate model. The simulations adopt 90% Hydrogen Peroxide (HP) and PolyEthylene (PE) as the propellant combination. The effects of the rotation, port number, fuel grain segment number and mid-chamber length on the flow field and combustion performances are analyzed. The results indicate that the multi-segmented grain configuration can strengthen the flow field, and the regression rate and combustion efficiency are enhanced. Take the cases with two grain segments and three ports for example, the regression rate is increased by 32.4%−45.1% and the combustion efficiency increases by 6%−8.6% in different rotation angles.     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

固液火箭发动机装药设计优化

按两类不同的气化速率公式,讨论了固液火箭发动机燃料装药优化设计的方法和程序,并针对某ＨＴＰＢ／ＬＰＸ（或ＧＯＸ）发动机,给出了多孔装药在不同孔数的情形下某些参数随时间的变化以及另一些参数的总体值或平均值,最后应燃料装药设计和配方设计给出了某些结论。