固体火箭发动机燃烧室中的一维两相流动

本文详细讨论了固体火箭发动机燃烧室一维两相不平衡流动基本方程的数值求解方法,分析了粒子尺寸对燃烧室流场和压力——时间曲线的影响,并与燃烧室一维两相常滞后流动结果进行比较,得出了一些有用的结论。有利于准确预估压力——时间曲线和为喷管两相流动计算提供更精确的边界条件。     

同轴剪切喷嘴高频喷注耦合燃烧不稳定分析

同轴剪切喷嘴在大推力氢氧发动机及液氧甲烷发动机上得到了广泛的应用,研究表明,当同轴剪切式喷嘴的中心氧喷嘴喷注过程与燃烧室的声学振荡发生耦合时,容易发生高频喷注耦合燃烧不稳定。高频喷注耦合燃烧不稳定一般无法通过隔板、声腔等传统燃烧稳定装置解决,需要在设计喷注器时采取相应措施。通过求解喷嘴导纳得到了喷嘴的固有声学频率,并与冷态声学试验结果和缩比喷注器热试结果进行了对比,表明吻合较好。研究了氧喷嘴长度、氧喷孔环直径、氧喷前温度和氧喷前压力等因素对氧喷嘴声学频率的影响,结果表明:增大氧喷孔环直径、提高氧喷前压力以及减小氧喷嘴长度、降低氧喷前温度可以提高氧喷嘴声学频率。     

固体火箭发动机反向喷管推力终止过程的压力冲击问题

本文介绍一种冷模拟实验,实验表明,突然打开固体发动机反向喷管后,燃烧室中可能出现强烈的压力冲击,这种压力冲击来自喷管喉部节流和形成准稳态流动之前的非定常过程,本文对这一效应做了估算,用特征线法及激波拟合法进行了一维非定常流动的数值分析,预估的压力—时间关系与实验结果相当一致。     

固体火箭发动机燃烧稳定性预估的三维计算方法

针对一个变截面开槽管状装药的单室双推力发动机,讨论了应用三维声学有限元法分析,确定燃烧室内腔的声学特性,以及在此基础上进行的发动机燃烧稳定性预估的三维计算方法。应用本文编制的计算程序试算的结果表明:燃烧室内腔前10阶固有振型的预估误差不大于3％;该发动机的燃烧稳定性接近临界状态,与地面试验情况定性一致。     

粉末火箭发动机燃烧室燃烧流动特性研究

选取颗粒轨道模型,对Al／AP粉末颗粒在粉末火箭发动机内流动和燃烧进行三维数值模拟,为以Al粉末燃料和AP粉末氧化剂作为推进剂的新型燃烧室的设计以及实验研究提供参考。文中提出了一种粉末火箭发动机构型,通过对发动机燃烧室进行冷态和热态数值模拟,研究了氧燃比、Al粉末颗粒大小、燃烧室体积等因素对粉末火箭发动机燃烧室燃烧性能的影响。结果表明,一定范围内氧燃比较高时,燃烧室温度反而较低;较小粉末颗粒在燃烧室内更易离散;Al颗粒粒径越小越易燃烧,Al燃烧率也越高;验证了在Al／AP粉末火箭发动机的设计中引入特征长度来匹配Al粉粒径与燃烧室体积的合理性。     

赫姆霍兹声腔声学特性实验研究

为了研究赫姆霍兹谐振器声腔结构参数变化对声学特性的影响,采用传递函数法在驻波管实验系统上进行了谐振器的冷态声学特性实验.实验结果表明:影响谐振频率的最大因素是声腔开口直径,其次是进口孔壁厚,其他因素如声腔长高比等影响较小;开口直径对谐振带宽影响最大且呈近似线性关系,其他参数则存在最优值能使得带宽最大、有效阻尼的频率范围最宽;多进口复合谐振声腔的谐振频率变化不大,而带宽增加显著.为确保有效抑制不稳定燃烧,赫姆霍兹谐振器声腔在设计和制造时应重点控制进口孔的相关状态参数.     

某双脉冲发动机压力振荡产生机理及抑制方法分析

以某双脉冲发动机二脉冲工作时出现的压力振荡现象为研究对象,建立燃烧室内的声腔和流动模型,采用有限元和大涡模拟算法及声涡耦合机理对压力振荡出现的原因进行了研究,并对采用扰流环抑制压力振荡的原理进行了分析。研究结果表明:该发动机二脉冲工作时出现的压力振荡由声涡耦合引起,在发动机中增加扰流环结构可提高发动机工作初期的漩涡脱落频率,使该频率远离发动机燃烧室声腔的轴向一阶声频,从而抑制压力振荡的发生。     

RBCC燃烧室冲压模态数值模拟及试验验证

为了探究煤油燃料火箭基组合循环(RBCC)发动机燃烧室在冲压模态下的燃烧特性,构建了一套仿真计算方法用于预测、分析燃烧室内流动及燃烧过程。以带支板喷注器、单凹腔火焰稳定器RBCC燃烧室为例,开展了冲压模态下的内流场三维数值模拟,计算得到的壁面压力曲线与地面试验及飞行试验结果符合良好。分析燃烧室压力、马赫数、燃气组分等参数可以发现：当前燃烧室结构能够实现冲压模态下液体煤油燃料的稳定、高效燃烧;与冷流相比,压升可达5倍以上;支板能够有效提高煤油燃料的掺混能力;火箭安装台阶下游存在利于燃烧和火焰稳定的回流区;通过调整凹腔、支板等喷注器供油规律,可提高来流氧气的利用率,实现更为充分的燃烧。     

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。     

高压氢氧火箭发动机推力室燃烧稳定性分析

针对高压氢氧火箭发动机推力室不设置隔板喷嘴和声腔的结构方案,利用火焰传递函数+低阶声学模型的解耦预测仿真方法,分析了不同喷注参数和结构参数下燃烧室的燃烧稳定性裕度。采用非定常雷诺平均NS方程(URANS)计算同轴直流喷嘴非稳态燃烧过程以获取火焰传递函数,其中采用Soave Redlich Kwong(SRK)状态方程计算密度等物性参数;考虑到同轴直流喷嘴的火焰长度与声波量级相当,采用分布式火焰结构进行火焰传递函数建模。采用商业软件COMSOL计算加载了火焰传递函数的燃烧室声学模态,使用模态增长率为评定标准,预测燃烧不稳定性。结果表明,给定不同燃气/氧喷注速度比、混合比、相对喷嘴压降、缩进深度比、富氢燃气喷前温度等各工况下,预测得到的燃烧室均未出现燃烧不稳定现象。在推力室设计中通过增加燃气/氧喷注速度比或降低燃烧室混合比,有利于提升燃烧稳定性裕度。所做工作为高压氢氧火箭发动机喷注器设计及燃烧稳定性裕度评估提供参考。     

液氧煤油气液同轴直流离心式喷嘴的声学模拟实验研究

气液同轴直流离心式喷嘴对补燃发动机燃烧室高频燃烧稳定性有显著影响。为研究气液同轴直流离心式喷嘴的声学特性,在大气环境条件下进行了单喷嘴声学模拟实验。通过安装在模拟燃烧室外侧的扬声器激发声学振荡,利用声学探针测量燃烧室内的声压,获得了喷嘴长度、节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,确定了喷嘴长度与节流嘴直径的选取原则。     

液氧/煤油补燃火箭发动机整流栅应用研究

介绍了液氧/煤油补燃火箭发动机整流栅的各种结构,简要叙述了空气吹风模拟试验研究方法与研究结果。利用Fluent软件对燃气弯管内流场进行了数值模拟,分析其流动与压力分布。建立了发动机整流栅声学特性的计算模型,采用变步长四阶龙格-库塔数值逼近方法计算声导纳,并对整流栅抑制高频燃烧不稳定性的机理进行了初步探讨。结果表明,整流栅除了影响燃气入口总压的均匀性之外,还可起到抑制高频燃烧不稳定性的作用。     

翼柱型装药固体火箭发动机燃烧室声场分析

燃烧室的声场特性分析是固体火箭发动机声不稳定研究的一个重要组成部分,建 立了复杂装药结构固体火箭发动机的燃烧室声场特性的计算模型,推导了小振幅三维波动方 程,采用有限元法进行仿真,得到了有喷管潜入段和无喷管潜入段的翼柱型装药结构空腔的 声振频率、振型和小扰动时的频率响应特性,分析表明,小扰动出现在声腔不同位置时,声 压响应均出现在声腔固有频率段上,但是声压幅值有较大差异,喷管潜入段的空腔对基频有 强阻尼作用。     

基于声能共振仿真的固体发动机声不稳定趋势研究

防空导弹发动机采用了大装填、大长径比、高压强等设计以提高性能,在复杂飞行条件下不稳定燃烧问题时有发生,致使发动机压强及推力振荡,对导弹的制导和控制造成了消极影响。针对防空导弹发动机出现的轴向声不稳定现象,从声能共振仿真角度出发,对发动机燃烧室声腔进行声学响应分析,根据发动机结构特性评估出现声不稳定的趋势,从而指导防空导弹发动机的设计。通过仿真计算,得到大长径比、锥体构型及工作后期更易出现声不稳定现象,与某型发动机的不稳定燃烧问题一致。     

高室压脉冲推力器设计与实验研究

为了检验高室压脉冲推力器的设计并掌握液体N2O／酒精推进剂的点火燃烧规律,进行了实验研究。可移动喷注器的动密封采用O型圈结构,推进剂的流动通道既能保证充填时推进剂的流通,又能保证挤压时不会有回流。冷试结果表明密封效果良好。测定了系统的热试时序,实现了稳态条件下的点火燃烧,燃烧室压力为2．58MPa。由于液体N2O的饱和蒸汽压较高,容易蒸发,积存在燃烧室内的蒸气造成点火压力峰比较高。     

基于SST湍流模型的模拟SRM内流场数值仿真

为准确模拟固体火箭发动机燃烧室内流场,采用基于格心的迎风型有限体积法求解定常雷诺平均Navier-Stokes方程,在空间离散方法上,采用AUSM-PW矢通量分裂格式,时间推进采用三阶三步TVD型Runge-Kutta显式方法,将Ment-er F R提出的SST( shear-stress-transport)湍流模型及其改进形式用于燃烧室湍流流场的数值模拟,并将计算结果与Wilcox的和Spalart-Allmaras湍流模型进行了对比。结果表明, Menter F R的SST湍流模型计算的燃烧室内的径向速度分布与实验值吻合得最好,最大误差约为5.1%;计算的燃烧室内湍流强度分布与实验的规律一致,而其余湍流模型计算的结果与实验值有很大差异。     

亚燃燃烧室稳态工作过程数值研究

采用Fluent流场计算软件,对液体亚燃冲压发动机燃烧室的稳态工作过程,包括点火前的冷流场与点火后的两相反应流场进行数值模拟研究。首先,通过二维计算,对比研究两种不同阻塞比燃烧室方案的冷流损失特性与回流区特性,进行方案初选。随后,对选型后方案进行两相反应流场计算,研究燃烧室热态工作过程的温度场、燃油分布与燃烧效率的一般规律,比较并选择适合的燃油供应方案;最后,对燃烧室进行三维详细结构的建模并计算。计算结果很好地揭示了燃烧室内的流动和燃烧过程,与试验数据吻合较好。     

固体火箭发动机燃烧室一维两相常滞后流动

本文论述了固体火箭发动机燃烧室一维两相常滞后流动。引入常滞后比热比和气体常数,导出了与纯气相流动形式类似的基本关系式。分析了粒子速度滞后对压力——时间曲线和燃烧室流场的影响。     

空间CO2羽流压力场的数值计算和实验研究

要解决空间羽流污染问题,首先必须精确掌握羽流场的特征。为此,在真空深冷背景环境下进行了CO2气体模拟发动机羽流压力场的数值计算和实验研究。采用经典的计算流体动力学(CFD)和直接模拟Monte Carlo(DSMC)相结合的方法进行羽流场的数值模拟。试验模拟空间高度在100公里以上,在整个测试过程真空舱内压力维持在10-3Pａ量级,冷阱温度为93±5Ｋ。计算结果与测试数据吻合较好,表明文中计算方法和物理模型可以准确描述真空深冷空间环境下的羽流场特征。     

燃烧室压力对440N空间发动机性能的影响

采用辐射冷却的铱一铼440N 推力轨道转移发动机,为增加比冲,提高燃烧室压力是最有希望的潜在途径。将燃烧室压力提高达3.5MPa(绝),不仅可以得到3283m/s 以上的比冲,而且可以显著降低发动机结构尺寸和重量。如果就利用现在使用的空间运载器上的贮籍,燃烧室压力提高到1.75MPa(绝)是切实可行的。如果把燃烧室压力提高到3,5MPa(绝),则只需增加一个用电力驱动的小型泵,便可以轻易地实现。推力室热试验采用四氧化二氮/肼,1.75MPa(绝)燃烧室压力试验采用铼材料推力室;3.5MPa(绝)燃烧室压力试验则采用铜材料推力室。在燃烧室压力为1.75MPa(绝),喷管面积比为300:1的条件下,实际比冲可以达到3263m/s。试验结果表明,铼燃烧室温度满足其长寿命极限要求,并且没有遇到稳定性,相容性和热的有关问题。