基于动网格技术的固体燃料冲压发动机燃面瞬态退移速率研究

为了研究固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃面退移速率在工作过程中的变化特性,基于发动机工作特点及动网格技术,考虑到燃烧流动及燃料表面的对流、辐射换热与燃料热解退移等过程耦合的影响,建立了SFRJ燃面瞬态退移速率预示方法,并对某带补燃室、以聚乙烯(PE)为燃料的试验发动机的燃烧室-喷管统一内流场进行数值计算,得到在移动边界条件下的瞬态流场分布,并分析了内弹道参数云图及其随时间的变化规律。结果表明,燃烧主要发生在当量比函数φ在-2～2之间的区域;随着发动机工作,燃速逐渐降低,且再附点向下游移动,燃料通道出口处流速和温度有降低趋势;此外,在小型发动机工作初期,燃料通道尾部出现类似固体火箭发动机的侵蚀燃烧现象。研究表明,该方法能成功求解发动机复杂的非定常工作过程,较好揭示燃面退移过程。所得结论对发动机设计和试验具有一定指导意义。     

固液发动机燃面退移控制因素分析

为获得固液发动机固体燃料燃面退移的控制因素和机理,开展了数值仿真和试验研究。建立二维轴对称计算模型,考虑燃料与氧化剂的混合燃烧和流动过程,计算得到了固液发动机工作过程中的温度、压强、速度和组分的分布,以及不同时刻固体燃料的燃面形貌。仿真与试验结果的对比证明了计算方法的有效性。结果表明:固液发动机的燃面呈现显著的非平行退移特征;燃烧室压强对燃面退移不均匀性的影响可忽略;控制燃面退移的主要因素是燃气传向固体燃料表面的热流密度,燃料表面的温度变化是宏观表现。在靠近喷嘴位置,燃面退移的热量传递主要受燃烧反应过程控制,而靠近喷管处燃面退移的热量传递主要受燃气流动过程控制。研究为固液发动机的装药优化设计和高效燃烧组织提供了理论依据。     

基于焓平衡法的固体燃料冲压发动机燃速预示模型

修正了固液混合火箭的固体燃料燃面退移速率预示模型中对流换热和汽化热的计算,将其用于固体燃料冲压发动机中,考虑了固体燃料冲压发动机中来流空气总温及装药长度的影响。编写了固体燃料冲压发动机燃面退移速率预示程序。计算结果表明,当来流空气总温大于450 K时,计算误差的平均值不超过6.55%,所完善的模型的计算结果与试验值吻合很好,该模型能准确预示固体燃料冲压发动机中燃面退移速率;燃面退移速率与装药长度的-0.23次方成正比。     

固体燃料超燃冲压发动机原理性试验研究

进行了固体燃料超燃冲压发动机实验研究,并成功进行了点火和燃烧实验,包括固体碳氢燃料超音速燃烧试验和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)超音速燃烧试验。实验验证了固体燃料在超音速气流中能可靠点火,并保持了火焰的稳定燃烧,获得了固体燃料的超音速燃烧内弹道特性,同时研究了固体燃料PMMA在超音速气流中的燃烧,分析了其在超燃冲压燃烧室内的退移规律,认为燃料退移速度随时间变化,燃烧趋向于将燃面轮廓变平,区域显示圆柱形。     

基于燃面耦合传热的固液发动机内流场模拟方法

针对固液火箭发动机中的燃烧流动,建立了一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的通用计算模型。应用该模型计算了二维固液实验发动机燃烧室,得到了燃烧室内部的扩散燃烧和燃面退移速率。计算得到的燃面退移速率与实验结果吻合较好,说明该方法对固液火箭发动机内流场计算有较强的通用性,PDF模型可有效模拟混合发动机中的扩散燃烧过程;简化的一维燃面传热耦合方法可应用到多维计算;该模型可用来模拟固液发动机的内弹道和预示退移速率。     

基于流-固耦合的混合火箭发动机固体燃料表面退移速率计算

基于流-固耦合的方法,在充分考虑混合火箭发动机工作过程中诸多复杂物理过程的基础上,建立了一个可适用于不同工作状况下混合火箭发动机固体燃料表面退移速率预示的计算模型。计算结果与实验数据的对比验证了所建立计算模型的准确性。对模型发动机进行模拟的结果表明,混合火箭发动机中的燃烧、流动及固体燃料表面的退移速率具有明显的不均匀性,发动机中的固体燃料表面的退移速率沿轴向近似地呈“W”形状的曲线变化;在混合发动机中,突扩形状的预燃室和补燃室有利于燃料热解气体和氧化剂气体的扩散混合,可以强化对固体燃料表面的换热,提高固体燃为表面的退移速率。     

固体燃料热分解特性分析

为了认清固液火箭发动机混合燃烧过程,采用热平板导热方式对固体燃料进行热分解实验,得到了固体燃料的化学动力学参数。在热平板导热实验中,观察了固体燃料在不同温度条件下的热分解残药情形,绘制了典型的燃料表面热分解温度-时间曲线,进一步得到Arrhenius类型的燃面退移速率-燃料表面温度关系曲线,并得出固体燃料的活化能强烈依赖于燃料的表面温度,"燃速-温度"曲线明显地展现了2个活化能区域,为固液火箭发动机燃料表面退移速率理论计算提供实验依据。     

固体推进剂发动机的侵蚀燃烧研究

对高氯酸铵和惰性粘合剂推进剂的侵蚀燃烧进行了实验和模型方面的研究.早先的全耦合模型曾被用于各种尺寸的发动机,并显示出明显的效果.由此导出了由于强喷吹产生的界面剪切应力关系,此式成为一种简化模型的基础,只需知道燃烧表面的平均质量流率,就可以进行局部壁面区的一维分析,并表明推进剂的名义燃速是影响侵蚀燃烧的主要参数,名义燃速对锓蚀燃烧门限值有直接影响。尺寸效应对门限值的影响包含在适当的无因次参数中.     

嵌金属丝两级药柱掺混燃烧下的内弹道计算

为了预示嵌金属丝端燃药柱和后翼柱药柱掺混燃烧条件下单室双推力发动机的内弹道性能,首先对高压段和低压段燃烧过程中的复杂燃面变化进行分析,获得不同增速比对应的燃面与基准燃面之间的关系。然后,考虑压强转级对增速比的影响,获得过渡段二者的关系,从而实现了整个燃烧过程增速比的无级变速,进而获得燃面退移规律,据此计算了这种类型装药发动机的内弹道性能。结果表明:计算值与试验曲线吻合良好,计算误差小于5%,证明了计算模型的合理性和程序的可靠性。该方法可用于此类型发动机的内弹道计算与分析。     

某低燃速推进剂侵蚀燃烧模型研究

推进剂的侵蚀燃烧对发动机的内弹道性能会产生不利影响,侵蚀燃烧的程度取决于药 型设计的通气参数。设计了一种侵蚀燃烧试验发动机,并在不同通气参数情况下,进行 了多发某低燃速推进剂侵蚀燃烧试验,通过对试验数据的数值分析,得到了该低燃速推进剂 侵蚀燃烧的临界流速、侵蚀常数与燃通比之间的关系,并对此进行了试验验证,为类似推进 剂药柱通气参数的选择提供参考。     

H_2O_2/HTPB缩比固液火箭发动机药柱燃速试验研究

对采用90%H2O2/HTPB基推进剂组合的缩比固液火箭发动机开展了药柱燃速试验研究,得到了不同点火方式和不同氧化剂流率下的药柱燃速。试验结果表明,在相同的氧化剂流率下,催化点火方式比点火药点火方式药柱燃速要高,燃烧室压力更为平稳,同时建压时间要长。根据点火药点火方式下不同氧化剂流率的药柱燃速拟合得到了燃速公式,并运用燃速公式对300 mm全尺寸发动机进行了装药设计及内弹道性能计算,得到的理论性能曲线与试验结果吻合很好,验证了本文采用的燃速研究方法及结果。     

丁羟推进剂侵蚀燃烧实验研究

本文研究配方中铝含量不同、催化剂含量和种类不同、燃烧表面粗糙度不同,以及无侵蚀的燃速不同时,丁羟推进剂的侵蚀燃烧特性.试验结果表明,凡是能使推进剂无侵蚀的燃速提高的措施,均可减轻推进剂的侵蚀燃烧,如果无侵蚀燃速相同,燃面粗糙度越大,侵蚀越严重.     

无喷管固体火箭发动机的初步实验研究

本文根据片型装药发动机对两种双基推进剂四种复合推进剂在四种药型下的试验结果,分析了在无喷管发动机内压强—时间关系、燃气流速和装药燃速沿通道的变化、特性速度及推进剂特性的影响。论述了推进剂的基础燃速对无喷管发动机工作特性的影响,侵蚀燃烧问题,装药通道内的几何喉面与流场中音速截面的关系等。对无喷管发动内设计有一定参考价值。     

固体燃料冲压发动机推力平稳性及飞行稳定性分析

分析了固体燃料冲压发动机中燃面退移速率的影响因素,建立了燃面退移速率仿真模型。在此基础上,建立了固体燃料冲压发动机工作过程仿真模型。采用该模型对固体燃料冲压发动机超音速巡航导弹的推力平稳性和飞行稳定性进行了分析。分析结果表明,选择适当的发动机设计参数能确保推力随时间的变化最小;发动机能根据巡航导弹飞行高度和速度的变化进行调整,使巡航导弹维持在设计点飞行。     

N_2O/HTPB固液发动机燃烧室结构对药柱燃面退移特性的数值模拟

针对采用N_2O/HTPB推进剂的某固液火箭发动机,分析研究燃烧室长径比、前燃室长度、补燃室长度以及喉径等结构参数对固体燃料热解表面燃面退移速率的影响。通过建立一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的数值计算方法,并经算例验证后,说明此数值模拟方法的合理性和正确性。因此,应用此数值模拟方法分别计算了燃烧室各结构参数对固体燃料热解表面退移速率的影响:药柱长径比对燃面退移速率影响较大,随着药柱内径的不断增大,退移速率逐渐减小;随着前燃室长度的增大,燃面退移速率也相应增加,但幅度较小;而补燃室长度以及喉径对退移速率基本无影响。适当增加补燃室长度,可增强氧化剂与燃料热解气体的掺混效果,从而提高燃烧效率。     

动网格在固体火箭发动机非稳态工作过程中的应用

利用Fluent流场计算软件、动网格技术、UDF文件,用DEFINE_GRID_MOTION定义燃面边界的移动,用DEFINE_PROFILE定义边界类型,考虑侵蚀燃烧、压强变化率对推进剂燃速的影响,对轴对称变截面固体火箭发动机的非稳态工作过程内流场进行了瞬态分析.得到了变截面轴对称固体发动机稳态工作过程中装药燃面推移图像,并得到了发动机内弹道参数分布云图及其随时间的变化规律.     

无喷管助推器喉部侵蚀燃烧规律研究

将X射线高速实时荧屏分析技术用于无喷管助推器的地面试验中,获得了助推器喉部燃面的退移规律,并由此获得了瞬时燃速和侵蚀比.研究表明,无喷管助推器在工作过程中,喉部燃速呈线性下降趋势,侵蚀比约从1.8降低到0.5.对文中研究的推进荆,在1000 m/s燃气流(喉部)的作用下,当压强大于2.1 MPa时,侵蚀比大于1,并随压强的增大而增加;当压强小于2.1 MPa时,出现负侵蚀现象.文中研究结果为无喷管助推器的性能预示提供了参考.     

棒状推进剂的侵蚀燃烧模型及其测定方法

大弹径的无缝单孔棒状推进剂的侵蚀燃烧效应,对其内弹道性能有显著的影响。为研究其侵蚀燃烧现象,提出了一种着重强调湍流与燃烧相互作用的易行模型。实验台上用的是一种设计成大肉厚的(约1.0cm)、中孔圆筒形药柱。药柱燃面的瞬时位置,用实时X射线照相术来测定。X射线照片表明,在强横向流作用下,实测的NOSOL—363棒状推进剂的瞬时燃速,明显地高于它的线燃速(4—32倍)。证明了这种测试方法的有效性。     

无喷管火箭发动机侵蚀燃速辨识

本文提出用无喷管火箭发动机终止燃烧后测得的燃层厚度,辅之以测得的p(x,t)曲线,来辨识无喷管火箭发动机工作条件下推进剂侵蚀燃速规律的一种方法。该方法克服了以往用P-t曲线间接辨识燃速方法中存在的问题,避免了复杂的内弹道计算,大大缩短了计算机时,实践表明,这种方法辨识结果稳定,用其结果计算的燃层厚度与实验值符合较好。     

多孔药柱燃气发生器的燃速变化和重现性

研完了多孔药柱燃气发生器的燃速变化特性。对几种装药量为0.5～150kg、有19～235个平行圆孔的药柱的设计进行了评价。主要讨论了多孔药柱与通常的中孔内部燃烧药柱燃速变化曲线的形状和大小的差别,不同的多孔药柱之间的差别,这些效应与弹道预测的关系,多孔药柱的压力一时间曲线重现性分析。分析采用了燃速和燃面的点火前及点火后的弹道性能评估,也考虑了侵蚀燃烧、侵蚀和沉积引起的喉面变化及特性速度变化的影响。从多孔药柱燃气发生器的点火后分析,推导出多孔药柱一般燃速变化曲线,使性能预测精度提高达3%。多孔药柱燃气发生器的性能重现性很好。高燃速发生器最大压力偏差小于3%,低燃速发生器最大压力偏差小于5%。