含气相细节化学反应的二硝酰胺铵燃烧模型

为了研究二硝酰胺铵ADN(Ammonium DiNitramide)燃烧中的细节物理化学过程,建立了一个包含细节气相化学反应的ADN燃烧数学计算模型.该模型基于总连续方程,组元连续方程及能量守恒方程而建立,并运用了有限速率化学动力学原理,最后引入多组元系统状态方程以封闭方程组.此外,该燃烧模型还成功应用了包含34种组元和165个细节气相化学反应的化学动力学方案.使用该模型对0.3MPa下ADN燃烧气相组元摩尔分数与火焰温度分布进行预测,计算结果与试验数据相当吻合,说明该燃烧能够准确描述ADN气相燃烧波结构.     

超燃冲压发动机燃烧室设计计算方法的研究

为寻找一种适当的计算超燃冲压发动机燃烧室性能的方法并评估现有模型的优劣,提出一维化学动力学模型,且通过几个算例验证了该模型的可靠性.为研究设计过程中的性能计算方法的适用性,针对一具体的燃烧室,采用目前通用的性能计算方法,即冲量分析法、一维化学动力学及二维化学动力学方法,计算得到燃烧室内各气动参数的分布曲线,并得到上述方法在超燃冲压发动机燃烧室设计过程中性能计算适用性的初步结论.计算结果表明:一维化学动力学方法与冲量分析法都能够考虑到摩擦、通道面积变化以及燃烧释热的影响因素,具有较好的适应性.对于冲量分析法,在考虑燃烧时,还需设定放热规律; 而一维化学动力学方法则可以利用化学反应模型,会自动计算释热规律,具有更大的独立性.和前两种模型相对比,二维化学动力学方法可以更细致地捕捉到流场中的一些细节,但此种模型需要较长的运算时间.对比这几个模型,各具有不同特点,在超燃冲压发动机的设计与性能计算过程中,需综合考虑上述区别,最充分地发挥各模型的优势.     

固液混合火箭发动机固体燃料的燃速计算

分析了固液混合火箭发动机的燃烧特点、燃烧中气相过程和固体燃料内部的传热过程,利用由传热理论得出的固体燃料燃速公式和阿累尼乌斯(Arrhenius)燃速公式耦合计算,得到了燃速与氧化剂流率、轴向距离、装药初温和时间的变化规律.计算结果表明固体燃料燃速主要受氧化剂流率和轴向距离的影响,随氧化剂流率的增加而增加,随轴向距离的增加而减小.固体燃料燃速温度敏感性小,在设计发动机时可以不考虑装药初温的影响.利用热力计算得到了绝热燃烧温度与氧化剂流率和药柱长度的变化规律,绝热燃烧温度随氧化剂流率的增加存在一最大值.计算结果与相关文献的报道比较吻合,为进一步研究固液混合火箭发动机的燃烧及流动问题打好了基础.     

煤粉燃烧过程的数值模拟

采用计算流体动力学软件对煤粉实际燃烧过程进行数值计算并结合其热态试验数据进行对比分析,已成为验证数学模型和指导工程实践的一种重要研究手段.应用商业软件FLUENT对煤粉燃烧及流场进行了数值模拟分析,采用混合分数/概率密度函数法模拟湍流燃烧,用P-1辐射模型开展辐射传热模拟,利用拉格朗日/欧拉法处理气固两相间的动量、质量和能量交换,对挥发份的析出采用双速率竞争模型,采用动力/扩散反应速率模型模拟煤粉颗粒的表面燃烧.并对模拟结果进行分析与对比,计算结果与实际燃烧过程有较好的一致性.数值模拟计算结果揭示了挥发分释放与焦炭燃烧的过程,为改善和优化煤粉的燃烧提供了重要的参考依据.     

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

1N ADN基推力器瞬态启动性能试验研究

为研究1N ADN基推力器的瞬态启动性能,给推力器在轨使用提供参考,通过设计推力器高空模拟热试车系列工况,研究了催化床不同预热温度、喷注压力、不同寿命阶段推力器的瞬态启动性能,获得不同条件下推力器开机加速性t90指标.结果表明1N ADN基推力器t90随预热温度的上升呈现先减小后增大的趋势;推力器喷注压力降低,t90变大;同时,研究了ADN基 推进剂地面存储时长对推力器的瞬态启动性能的影响,实验结果显示在存贮时间内,推力器t90指标保持稳定.     

基于小波变换的孔探图像边缘粗糙度分析

针对航空发动机内部结构裂纹损伤的孔探图像识别问题,提出一种描述孔探图像边缘曲线粗糙度特征的方法——粗糙度系数法.该方法利用二进小波变换对边缘曲线在所有可能尺度上进行小波分解,得到尺度系数和小波系数.对于这些小波分解系数,构造一种对数熵算法来计算尺度系数和小波系数的能量强度.小波系数与尺度系数的对数熵的比值被定义为粗糙度系数,用粗糙度系数来评估曲线的粗糙程度,粗糙度系数越大,曲线越粗糙.实验表明以粗糙度系数作为孔探图像边缘曲线的识别特征,能够有效地识别孔探图像中存在的裂纹损伤.      

航空发动机性能参数预测方法

航空发动机性能参数预测对于发动机的视情维修具有重要的意义.为了提高预测精度,在分析发动机性能参数数据特点的基础上,提出了一种新的应用于此领域的组合预测模型.首先利用小波变换将原始数据分解为不同尺度上的几组子序列,根据各子序列的特点分别选用自回归滑动平均(ARMA,Autoregressive Moving Average)模型或求和自回归滑动平均(ARIMA,Autoregressive Integrated Moving Average)模型进行预测,然后将所有预测结果合成,得到最终预测结果.通过仿真实验,验证了该组合模型提高短期和中长期预测精度的有效性,并分析了小波分解层数对于预测精度的影响.      

煤基费托航空燃料燃烧性能及航程

航空替代燃料肩负着能源安全以及环境保护的双重使命。对煤基费托航空燃料的基础燃烧性能及航程进行了实验和理论研究。针对民航客机典型飞行任务,选取装有2台CFM56-7B发动机的B737-800型客机进行全包线飞行的航程评价。研究结果表明,煤基费托航空燃料比石油基航空煤油密度低,但热值高。评价结果表明使用煤基费托燃料的客机航程比使用石油基航空煤油的客机缩短2.1%。同时,虽然煤基费托航空燃料的燃烧边界较石油基航煤略窄,但更易点火且不易积碳。取得的结果对煤基费托航空替代燃料的实际应用具有一定的指导意义。      

三维多组分羽流及其效应的数值模拟

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽流场及其效应进行数值模拟,计算得出羽流场的物理参数分布、化学组分分布,得到了羽流对太阳能帆板的羽流气动力和气动热效应.计算结果表明对于太阳能帆板的羽流效应防护应以N2,NH3为主,姿控发动机羽流会对太阳能帆板撞击产生气动力和气动热的影响,在太阳能帆板前沿中点处,存在气动压强峰值和气动热流峰值.计算结果为研究羽流效应提供了参考依据.     

数值模拟高超音速化学非平衡流的隐式格式

针对高超音速化学非平衡流提出了两种隐式格式.一种是近似因子分解算法对角化形式在隐式TVD(全变差递减)格式上的推广,另一种可视为隐式TVD格式的LU分解形式.数值试验表明,本文给出的算法保持了TVD格式的高分辨率特性,同时计算量大大减少,是高超音速化学非平衡流数值模拟的有效方法.     

52台发动机推动神舟五号游太空

与汽车和飞机都靠发动机的推力前进一样,神舟飞船在太空中运行也是靠发动机推动的。所不同的是汽车和飞机上的发动机是依靠油料与空气中的氧气混合燃烧,产生气体推力,因此,它们都离不开空气中的氧气。而飞船上的发动机是液体火箭发动机,在没有氧气的太空中飞行,因此,飞船发动机在工作时不需要空气中的氧气,是由一种称作氧化剂的含氧液体提供燃料燃烧所需的氧,或者直接由燃料催化分解产生气体,燃烧气体和分解气体通过喷管喷出产生推力,使飞船能够在没有空气的太空中也能飞行。     

高频不稳定燃烧的声学数值仿真

高频不稳定燃烧一直是液体火箭发动机研制过程中所要面临的重大难题之一.采用具有低色散低耗散特点的计算气动声学方法,对自燃推进剂变轨发动机(OME)的高频不稳定燃烧进行时域下的数值仿真.由Crocco的压力时滞模型对燃烧热释放和声波之间的耦合进行模拟,并对不同的时滞模型参数对稳定性结果的影响进行了分析,给出发动机的稳定性极限图,确定一阶切向及一阶径向振型为主的不稳定振型,与地面试车实验捕捉到的不稳定振型相一致.结果表明:采用计算气动声学方法对带有Crocco压力时滞模型的声波扰动方程进行时域下的数值求解,可以对发动机的高频不稳定燃烧进行成功地预测.      

气动塞式喷管实验与数值模拟研究

提出了塞锥型面设计的特征线法及示例结果,得出了侧喷管粘性跨音速和超音速内流场数值计算结果,及塞锥外流和尾流的Euler方程解,总结了塞式喷管工作特性的固体推进剂燃气模拟实验系统、实验结果及主要结论.塞式喷管火箭发动机是一个复杂而有挑战性的研究方向,对于发展新一代先进天地往返运输系统有重要作用.      

航天科学技术中的若干数学模型

本文是考虑化学火箭发动机燃烧理论的数学模型、疲劳断裂传播的随机模型以及复杂航天飞机运动动力学方程和解题方法。     

一种适用于平动点周期轨道初值计算的简化路径搜索修正法

在限制性三体问题中,路径搜索修正法是一种基于平动点周期轨道垂直穿越Poincare截面的几何对称性计算平面及空间平动点周期轨道近似初值的方法.采用路径搜索修正法的一种简化形式,在圆形限制性三体模型中,对地月系中几种典型的平面及空间周期轨道近似初值进行了计算.结果表明,该简化方法得到的周期轨道近似初值不唯一,由近似初值经微分修正得到的精确结果中通常同时存在Halo轨道和大幅值逆行轨道（DRO）.进一步分析表明,在某些临界初值下,精确结果中Halo轨道将消失,同时可能出现平面Lyapunov轨道及Vertical轨道.上述计算中,搜索初值与结果中轨道类型的对应关系值得进一步研究.      

基于决策树的空间拦截器姿态控制

拦截器的发动机为带脉冲型发动机,从而限定了作动器的输出集.对于该拦截器的姿态控制,提出了基于决策树的控制方法.它是通过搜索决策树代价最小的路径做出控制决策,该控制思想非常类似棋手博弈的思想.提出的剪枝方案降低了决策树的计算复杂度.通过仿真实验说明:基于决策树的控制具有一定的智能;不同剪枝方案产生不同的控制效果;该方法较好地解决了输入受到约束、非线性和耦合的多输入多输出控制问题,并且在满足控制精度前提下可减少发动机切换次数和燃料消耗.      

用于空间试验的金属物质气化方法

通过向电离层空间释放金属物质,形成高密度的等离子体云团,实现对电磁波反射与散射的方法,对于改善通信效果具有重要作用,是当前应急通信研究热点之一。根据气态形式释放金属才能充分与电离层相互作用生成电子密度增强区的原理,针对以往采用碱金属和碱土金属作为释放物,产生电子密度增强的机制主要是光致电离所带来的不足（白天效果明显,夜间效果较差）,选用镧系金属作为新的释放物,并以镧系金属钐为例,建立了钛硼与钛碳两种自蔓延燃烧合成反应加热气化金属钐的理论模型。通过理论计算,确定了两种自蔓延合成反应体系加热气化金属钐的净放热量以及加热气化金属钐的最大效率。针对理论研究结果,对两种反应体系加热气化金属钐的方案开展试验研究,验证了理论分析的正确性,摆脱了电子密度增强主要依赖光致电离的缺点,提供了一种全天候释放电子密度的方法。