粉末燃料冲压发动机研究进展

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料,兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机,粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能,还能改善并增加其原有功能,是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。针对粉末燃料冲压发动机及其相关研究领域的发展现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末燃料供给、发动机燃烧组织、发动机点火等粉末燃料冲压发动机主要关键技术,同时对发动机技术提出了高性能粉末燃料研究、冲压空气作为驱动流化气可行性研究、发动机快速响应和环境适应潜力及工作可靠性研究等几点研究展望。通过对粉末燃料冲压发动机相关研究技术进行综述梳理,明确了其研究的重点和难点,为发展高性能冲压发动机提供了一定参考。     

驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机两相流数值模拟

根据已有粉末燃料冲压发动机的特点,设计了驻涡火焰稳定器,并对现有发动机结构进行了改进,提出了驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机。采用颗粒轨道模型,对镁基粉末燃料冲压发动机进行了三维流场数值模拟,对比分析了改进前后发动机内流场结构对该发动机燃烧效率的影响,以便为进一步的实验研究提供指导。数值模拟结果表明,驻涡火焰稳定器的应用,可使燃烧效率较现有发动机提高10%。     

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。     

粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火模型

对粉末燃料冲压发动机中镁颗粒群的着火过程进行了研究,建立了镁颗粒群的非稳态着火模型,数值模拟了镁颗粒群的着火过程。研究表明,颗粒相温度先缓慢升高,表面反应加剧之后,温度才急剧上升,很短时间内着火成功;而着火过程中气相温度整体升高不大,其温度总是低于颗粒相温度且升温很慢,特别是着火阶段后期,气相的升温速率远小于颗粒相的升温速率,分析了各种参数变化对颗粒群着火的影响。随颗粒浓度的增加,颗粒群的着火时间缩短;但当颗粒浓度太大时,颗粒群将不能着火成功。气相中氧气浓度对着火的影响很小,特别是颗粒浓度大的情况,氧气浓度对着火几乎没有影响。辐射源温度和气相初始温度对颗粒群着火的影响很大,两者的温度高,则颗粒群着火时间将大大缩短,但当颗粒浓度很高时,气相初温变化对颗粒群着火时间的影响将不再显著。颗粒粒径对颗粒群着火的影响较复杂,颗粒浓度大时,小颗粒颗粒群易于着火,而颗粒浓度小时,大颗粒颗粒群着火时间更短。     

不同粘合剂改性硼基粉末燃料点火燃烧特性

使用重结晶及挤出滚圆的方法,制备了硼基粉末燃料,初步分析了GAP含量对粉末燃料形貌的影响.结果表明,提高GAP含量,可显著降低颗粒之间的粘聚现象,改善颗粒形状规则程度,其含量达到30％时,颗粒粒径较大、形状规则,流化性能好.在此基础上,通过点火燃烧实验研究了HTPB和GAP作为粘结剂对燃料的点火燃烧过程的影响.结果表明...     

超燃冲压发动机燃烧室碳氢燃料的点火和火焰稳定研究

在氢氧加热脉冲风洞上,对超音速燃烧室在进口2Ma、总温960~1 420 K条件下的碳氢燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究。在直连式超音速燃烧室实验中,通过采用火花塞 氢先锋火焰、火花塞 乙烯先锋火焰的方法实现了煤油燃料的点火和火焰稳定。研究结果显示,当采用氢作为先锋火焰时,利用火花塞能够在燃烧室进口总温960 K条件下实现煤油的点火和火焰稳定;当采用乙烯作为先锋火焰时,利用火花塞,实现没有点火和火焰稳定的最低温度为1 420 K。     

水冲压发动机燃烧稳定性数值研究

建立了水冲压发动机燃烧稳定性计算模型,对一次进水水冲压发动机燃烧室内流场进行数值模拟。研究了燃烧室长度、水燃比、液滴直径等因素对水冲压发动机燃烧稳定性的影响。研究表明,适当增加燃烧室长度、采用多次进水以减小局部水燃比并选取适当的雾化器,有利于水冲压发动机的稳定燃烧。     

金属粉末燃料冲压发动机初步试验研究

为了检验金属粉末燃料冲压发动机的点火及燃烧特性,对设计的发动机进行了初步的直连式试验研究。初步试验结果表明,目前设计的燃料供应系统能将粉末燃料有效输送到发动机燃烧室;在火炬作用下粉末燃料能实现快速点火启动;火炬工作结束粉末燃料可自身维持燃烧;燃烧室壁面沉积较多,主要分为2层,其中表层为白色MgO,内层为Mg、MgO和Mg3N2的混合物。     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室掺混燃烧数值研究

根据国外研究机构的直连式试验数据,设计了固体燃料超音速燃烧室模型,建立了超音速燃烧数值计算的数学模型,通过数值模拟获得了超音速燃烧室流场内的气体状态参数分布。结果表明,超音速燃烧室静压随轴向距离的增加而逐渐降低;流场中心区域为混合超音速流动,而后向台阶的圆周区域为亚音速流动;燃烧效率随轴向距离的增加而增加。     

粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究

在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设扰流锥体,并针对扰流锥体不同结构外形和位置对流场中离散相颗粒浓度的影响进行了计算分析,总结出了冷态下扰流锥体对外流场颗粒浓度分布的影响规律。     

固冲发动机补燃室二次燃烧实验研究

采用不确定度评定的地面直连冲压实验设备,对某全尺寸固冲发动机补燃室二次燃烧进行了实验研究。通过测定比冲效率,确定了不同的燃气发生器喷嘴结构、空气进气角度、进气头部距离和补燃室长度对二次燃烧的影响,并进行了机理分析。结果表明,五喷嘴比冲效率较高,燃气的切入方式对补燃室二次燃烧有重要影响;增大入射角度,可提高比冲效率,但加剧了燃烧产物在补燃室内的沉积;补燃室头部距离不宜过大,比冲效率不随头部距离线性增加;补燃室长度增加,可使比冲效率提高,但效果并不理想。     

碳粉燃料在火箭冲压发动机补燃室内燃烧特性的分析

采用概率密度函数(PDF)及确定轨道模型数值模拟一种环向进气的固体火箭冲压发动机补燃室气固两相流的掺混燃烧,考虑固体颗粒直径大小和补燃室长度对燃烧效率的影响。结果表明:增大固体颗粒直径,燃料的燃烧效率明显减小;增大补燃室长度,燃料的燃烧效率增大。     

膏体冲压发动机构型对燃烧效率的影响研究

膏体冲压发动机是在膏体发动机和冲压发动机基础上提出的一种新型组合动力装置.探讨了膏体冲压发动机的多种构型.并对其反应流场进行了数值模拟和燃烧效率分析.结果表明,采用将膏体富燃料直接喷射到补燃室的方式燃烧效率较高;随着进气道轴向距离的增加,补燃室头部的燃烧效率有所降低;随着进气道夹角的增加,补燃室燃烧效率略有增加.     

涡流对固体燃料冲压发动机性能影响分析

通过对固体燃料冲压发动机内流动和燃烧过程的数值模拟,研究了涡流对发动机性能的影响。主要讨论了发动机推力和比冲、固体燃料的平均后退速率和燃烧效率对旋流强度的依赖关系,还对推进剂燃速沿轴向的分布进行了考察,并与无旋条件进行了比较分析。结果表明,小强度的涡流能明显提高固体燃料燃速和发动机推力,但强度过大,涡流反而会给发动机性能带来不利影响;涡流增强燃烧作用主要体现在装药后段。     

亚燃冲压发动机燃烧室燃油浓度分布预测

基于Fluent两相反应流场计算平台，采用涡耗散概念模型，对典型亚燃冲压发动机燃烧室的两相反应流场进行三维数值模拟计算。重点研究温度场影响下的燃油气相分布，计算给出气相燃油在火焰稳定装置前后以及内部的分布，得到燃油在亚燃冲压发动机燃烧室内分布的一般规律。计算发现，稳定装置内部及近后方燃油分布较富，到达火焰峰以后，燃油浓度急剧下降。计算预测径向蒸发管后壁面与最外环蒸发管内的燃油富集，而中间环蒸发管燃油分布较贫，计算结果与燃烧试验结果一致。     

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。     

某蒸发式稳定器燃烧特性及供油匹配数值研究

为了研究一种适用于亚燃冲压发动机燃烧室的蒸发式火焰稳定器方案,采用PDF燃烧模型对其燃烧特性及供油匹配进行了流动及两相燃烧数值模拟与分析,重点研究了不同主燃区/局部供油匹配以及不同主燃区供油浓度分布等对燃烧性能的影响,获得了燃气温度峰值与均匀性相对优化的供油方案。