低温流体闪蒸喷雾研究

为了研究低温流体闪蒸喷雾特性,建立了低温流体闪蒸计算模型,并通过试验进行了验证。在欧拉-拉格朗日框架下采用CFD-DPM方法模拟了闪蒸过程的气-液两相流场。研究表明,在闪蒸喷雾形态和温度分布特性方面,数值模拟与试验结果吻合。低温流体喷入低压环境后,在喷嘴出口附近便发生剧烈的闪蒸现象,呈现出巨大的喷雾角,并且喷雾温度急剧下降至环境压力对应的饱和温度;在喷嘴出口附近区域(x/d～40),过热闪蒸占据绝对主导地位,其蒸发速率高出其他换热2个数量级,随着喷雾液滴运动至流场下游,对流换热与热传导逐渐占据主导地位。闪蒸带来的强烈换热导致喷嘴附近可能会发生复杂的气-液-固相变,将会对发动机高空可靠点火带来风险。     

N2O/C3H8发动机气液同轴离心式喷嘴喷雾性能数值模拟研究

采用数值计算方法对氧化亚氮/丙烷（N2O/C3H8）发动机样机气液同轴离心式喷嘴的喷雾性能进行了研究,得到了环缝外喷嘴气相喷注压降和内喷嘴缩进深度对离心式喷嘴喷雾流场的影响.分析结果表明,较低的气相喷注压降（＜0.3 MPa）会显著的影响液滴在流场中的蒸发速率以及流场流强、混合比、索太尔平均直径（SMD）和n值的分布;气相喷注压降从0.3 MPa增加至0.6 MPa,稳定喷雾流场液滴SMD和n值分别在2.41～1.68,2.03～0.98范围内变化并逐渐减小.内喷嘴缩进深度从0 mm增加至6 mm,稳定喷雾流场液滴的SMD和n值受其影响较小,均分别在1.70～0.94,2.36～0.99范围内波动.喷嘴的最佳燃烧区主要分布在下游轴向位置0.015～0.035m范围内并随着气相喷注压降的升高和内喷嘴缩进深度的增大逐渐靠近喷嘴出口.该设计喷嘴在发动机热试实验中表现出很好的性能.     

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.     

液氢空化流动特性研究

对液氢空化流动的实验数据进行了统计分析,数值计算了大范围温度变化下液氢空化流动的变化特征。结果表明采用的数值计算方法计算结果与实验数据吻合良好。随着温度变化,液氢空化流动存在两种空化行为。当温度低于转捩温度时,空化行为的变化受液/汽密度比控制,空穴面积随温度的增加而增加;当温度高于转捩温度时,空化行为的变化热力学效应控制,空穴面积随温度的增加而减小。空化数和来流速度越大,转捩温度越高。     

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。     

液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性影响

为探究液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性的影响,采用基于Gerris的VOF方法和自适应加密算法,对不同液气动量比下的两液相孔内混式直流气液喷嘴雾化过程进行数值计算。结果表明:Gerris可以清晰地捕捉到射流柱从变形、弯曲到雾化为液滴的全过程细节特征,雾化过程图像与实验拍摄的基本吻合,获得液滴空间分布,计算得到的全场液滴SMD为50～60μm。当液气动量比较小时,内混式直流气液喷嘴的射流不发生相撞,雾化机制为气动破碎。随着液气动量比的增加,两股射流破碎长度和穿透深度均增大,射流发生相撞,雾化机制为气动破碎和撞击破碎。     

燃烧条件下自燃推进剂的雾场及火焰实验研究

为研究双组元自燃推进剂喷雾燃烧的特点,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内开展了一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)推进剂喷雾燃烧过程可视化实验,采用高速相机直接拍摄并获得了MMH/NTO的火焰自然发光图像,采用高速相机及光源后置消光法拍摄并获得了燃烧条件下MMH/NTO撞击后的雾场图像。通过实验得到了以下结论:燃烧条件下,MMH/NTO液相主要集中在喷注面附近的喷射雾化区,其面积随燃料射流速度增大而增大;MMH/NTO着火点距离喷注面距离及着火过程的火焰传播速度随推进剂喷射速度增加而增大;按自然发光亮度划分,MMH/NTO火焰分为外层火焰、内层火焰及焰心,焰心亮度最高,其面积随燃料喷射速度增加先减小后增大;MMH/NTO反应长度及火焰张角随燃料喷射速度增加而增大,与喷射雾化区随燃料喷射速度的变化趋势一致。     

高压低混合比氢氧预燃室出口温度均匀性分析

为了深入了解高压低混合比氢氧预燃室的出口燃气温度均匀性,设计了一个缩尺预燃室,开展了不同缩进深度比、扰流结构、工况下缩尺预燃室出口燃气温度均匀性的研究,并通过全尺寸预燃室试验验证了设计方案的合理性。试验结果表明：随着缩进深度比的增加,燃气温度均匀性逐渐提高;随着室压、混合比的升高,扰流环结构的均温效果提高;扰流环与拐弯结构的组合方式可使燃烧室内的温度均匀性提高54.8%～89%;在喷嘴设计参数下,相对于同轴离心喷嘴,采用同轴直流喷嘴的缩尺预燃室在50%～100%工况下的出口燃气温度均匀性较优;当采用扰流环及90°拐弯结构时,全尺寸预燃室的出口燃气温度均匀性在±50 K范围内,同时相对于氢涡轮侧出口,氧涡轮侧出口的燃气温度均匀性更优。     

硼在氧化性气氛中燃烧的热力学分析

根据吉布斯能最小原理,利用FactSage计算了B/O体系和B/C/H/O体系的热平衡,研究了温度、压强和物质摩尔比对平衡的影响。计算结果表明,B/O体系下,当B/O摩尔比为2∶3时,随温度逐渐升高,主要的气相含硼燃烧产物由B2O3(g)转变为BO(g)和BO2(g);提高环境压强,有助于增大硼燃烧的热量释放;当温度为2 400 K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为B2O3(g)和BO2(g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、BO(g)和B2O2(g)。在B/C/H/O体系中,把B/C/H/O摩尔比定为2∶1∶2∶6,在温度相对较低时,B/C/H/O体系燃烧的主要产物为HBO2(g)、CO2(g)、H2O(g)和B2O3(g),此时燃料的热释放比较完全。随温度升高,之前的燃烧产物被CO(g)、BO(g)等低热释放的物质代替,说明外界温度太高不利于燃料燃烧的热量释放;同样,提高环境压强,有助于增大系统的热量释放;当温度为2 400 K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为HBO2(g)、B2O3(g)和BO2(g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、B2O2(g)、BO(g)和HBO(g)。     

Thermomechanical analysis of boron particle combustion in oxidizing atmospheres

根据吉布斯能最小原理,利用FactSage计算了B/O体系和B/C/ H/O体系的热平衡,研究了温度、压强和物质摩尔比对平衡的影响.计算结果表明,B/O体系下,当B/O摩尔比为2:3时,随温度逐渐升高,主要的气相含硼燃烧产物由B2O3(g)转变为BO(g)和BO2(g);提高环境压强,有助于增大硼燃烧的热量释放;当温度为2400K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为B2O3(g)和BO2 (g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、BO(g)和B2O2(g).在B/C/H/O体系中,把B/C/H/O摩尔比定为2:1:2:6,在温度相对较低时,B/C/H/O体系燃烧的主要产物为HBO2 (g)、CO2 (g)、H2O(g)和B2O3 (g),此时燃料的热释放比较完全.随温度升高,之前的燃烧产物被CO(g)、BO(g)等低热释放的物质代替,说明外界温度太高不利于燃料燃烧的热量释放;同样,提高环境压强,有助于增大系统的热量释放;当温度为2400K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为HBO2 (g)、B2O3(g)和BO2 (g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、B2O2(g)、BO(g)和HBO(g).     

基于碳氢燃料裂解工作的ATR发动机性能分析

提出了一种基于碳氢燃料裂解气体驱动涡轮工作的ATR发动机方案,并对特定裂解气成分的碳氢ATR发动机性能进行计算,获得了裂解气中烷/烯比对发动机性能的影响规律。结果表明,在同一飞行条件下,随着发动机转速上升,推力逐渐上升,比冲基本呈减小趋势;在同一转速下,碳氢燃料裂解气中烷/烯比越大,发动机比冲越高。在烷/烯比4、转速百分比70%条件下,发动机比冲最高达到约7 644 m/s;随着烷/烯比逐渐升高,裂解气比热容逐渐升高。     

火箭发动机超声速过膨胀射流气动噪声特性研究

采用大涡模拟LES方法计算了火箭发动机超声速过膨胀射流形态及近场声压分布,研究了入口温度与环境温度的比值(温度比)对声场的影响;将声源分解,基于Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程获取了不同位置噪声源的远场噪声,并根据声压级频谱和湍流形态分析了超声速射流噪声的产生机理。研究表明,超声速过膨胀射流气动噪声由湍流混合噪声和宽频激波噪声组成,近场噪声源以马赫波形式向大方位角辐射中高频噪声,下游大尺度湍流向低方位角范围辐射低频噪声,声压级峰值频率随观测角度增大而升高;随温度比升高,马赫波辐射角度增大,噪声指向性发生改变。该研究可为运载火箭发动机地面试车或火箭发射段声学环境设计提供参考。     

壁面组合孔喷注增强混合研究

为增强超声速气流中壁面喷注的燃料射流与气流混合,提出了一种壁面组合孔喷注方式.通过对单孔及组合孔喷注方式燃料射流流场仿真结果的对比分析发现,采用壁面喷注孔喷注燃料时,燃料射流与来流的混合过程在射流近场穿透深度起主导作用,而在射流远场涡则起主导作用.计算结果表明,采用壁面组合孔喷注氢气时,燃料射流增强了流场展向涡量,从而在射流远场获得了更好的射流与来流混合.     

高温处理对PCS裂解SiC基体的微晶形态及C/C-SiC材料性能的影响

采用聚碳硅烷(PCS)作为先驱体,通过浸渍裂解法制备C/C-SiC材料,分别经过1 400、1 500、1 600℃高温处理,研究了不同处理温度对SiC基体的微晶形态及C/C-SiC材料力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明,3种处理温度下,SiC的晶型主要为β-SiC。温度升高,晶粒尺寸增大,1 500℃以后生长速度减缓;SiC微晶优先沿着(111)晶面生长,(220)和(311)晶面的生长取向逐渐增加。处理温度升高,C/C-SiC材料的弯曲强度和剪切强度不断下降。1 400℃处理后,C/C-SiC材料的断裂方式呈现出非常明显的韧性断裂。C/C-SiC材料在1 500℃静态空气中的氧化失重率随高温处理温度的升高而逐渐增大,氧化程度越来越严重,断面典型区域的氧化形貌由"尖笋状"成为"梭形"。     

水下固体火箭发动机推力脉动特征研究

对水下固体火箭发动机的动态特性进行了研究,根据动网格及VOF(Volume of Fluid)基本原理,构建了用于水下固体火箭发动机动态射流响应的轴对称模型;根据壁面积分基本原理及被动方式求解水下工作发动机推力的计算方法,成功模拟了发动机的受力运动;对不同工况下发动机工作情况进行仿真,研究了水下发动机动态模型下的射流结构,发现在来流作用下,射流气体会受到来流边界层的挤压,产生颈缩现象,之后逐渐向外膨胀;研究结果显示,在来流边界层作用下,射流所产生的激波在向下游发展之前,将经历多次折射,该研究结果与文献中相关实验结果较吻合;对发动机不同工况下的推力脉冲峰值进行分析,找出了动态模型下发动机点火初期推力脉冲峰值特征随工作环境的变化规律。最后,对有/无轴向浮力时的发动机动态特征进行了对比分析。     

水下固体发动机燃气射流动态不稳定性冷流实验研究

为了研究深水条件下超声速垂直射流的动态不稳定特性,利用高速摄影开展了高压深水条件下气体射流初始阶段及稳定阶段射流气泡形貌变化过程的实验研究。定量分析了不同总压、水深条件下射流边界的动态不稳定过程。3种工况条件下的测量结果表明:水下垂直射流结构为非对称,在射流发展过程中出现摆动甩尾现象,相对于喷管出口最大偏摆程度可达4.132倍。随着来流总压的增大,射流高度增大,宽度增长趋势减缓,随着水深增大,射流宽度增大而高度增长趋势减弱。稳定阶段的动量射流通道直径与高度成正比。     

发动机用扩压器性能及扩压器后射流数值分析

扩压器是火箭发动机进行高空模拟试验的重要地面设备,针对某空气泄入式圆筒型扩压器设计参数进行了数值研究,同时对该扩压器后的燃气射流进行了分析.计算结果表明,扩压器直径是影响扩压器性能的一个重要参数,在满足喷管出口满流的前提下,当扩压器直径增大时,带来的是总压损失逐渐增大,扩压器内激波串的强度逐渐增强;长径比并不是一个影响...     

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。     

宽粒径范围颗粒对气相膨胀的影响

利用双流体模型对固体火箭发动机喷管内气固两相流进行计算,研究了两相流中颗粒相与气相的相互作用,分析了颗粒粒径及颗粒质量分数对两相流中气相在喷管中膨胀的影响。结果表明,颗粒粒径造成两相流损失的大小是颗粒比表面积、气相湍流动能及颗粒在喷管内的滞留时间等因素共同作用的结果,两相流损失随着颗粒粒径的增大先增大、后减小,同时随着颗粒质量分数增大而增大;JPL喷管中粒径为2μm的颗粒造成的两相流损失最大,此粒径下,当颗粒质量分数从10％增大到40％时,两相流损失从10％增大到26％。     

闭式脉动热管启动性能的实验研究

实验研究了以乙醇为工质的闭式脉动热管在不同工况下的启动性能,分析了充液率、倾斜角、热负荷对脉动热管启动性能的影响。研究发现脉动热管具有两类启动方式:温度飞升式启动和温度渐进式启动。脉动热管启动性能最优的最佳充液率范围在41%～52%之间。相同热负荷下,随着倾斜角在0°～90°范围内逐渐增大,热管启动性能将得到改善。随着热负荷的增大,启动时间缩短但最高启动温度随之升高。