以铝粉为燃料的脉冲爆轰发动机数值研究

研究了采用固体粉末为燃料的脉冲爆轰发动机的流场情况。运用CE/SE方法与四阶龙格-库塔法相结合,构造了以铝粉为燃料的脉冲爆轰发动机二维两相内流场的数值计算格式。数值模拟了PDE管内轴线上压力、速度随时间的变化情况,轴截面上的压力分布云图,管内固体燃料颗粒粒径随时间的变化,以及不同情况下PDE的瞬时推力和总冲量等。由此分析了固体燃料PDE管内爆轰波的传播特性,讨论了燃烧产物的物理特征、环境温度和环境压力的变化对PDE推力性能的影响。结果表明,采用铝粉作为PDE的燃料能够提供有效的推力。数值计算结果对固体燃料脉冲爆轰发动机的研究具有重要的理论指导意义。     

含纳米铝液体燃料的单液滴燃烧特性实验研究

利用高速摄影系统,采用SiC细丝悬挂方式,在开放环境下开展了纯煤油、煤油/油酸(OA)、煤油/纳米铝粉及煤油/油酸/纳米铝粉四种液体燃料的单液滴燃烧试验。拍摄了四种燃料的单液滴燃烧过程,分别获得了四种液滴的形态变化过程及火焰信息等,分析了纳米铝粉及油酸对含纳米铝液体燃料单液滴燃烧过程的影响规律。通过对比发现,四种液滴的前期燃烧过程基本满足d2定律;添加油酸使煤油液滴稳定燃烧阶段燃烧速率变小,但油酸导致液滴出现微爆现象,此阶段煤油消耗速度加快,总燃烧时间缩短18%;添加纳米铝粉使煤油液滴吸收辐射能力增强,燃烧速率增大20%;液滴微爆时部分纳米铝粉会喷出,剩余纳米铝粉在煤油消耗殆尽后聚集在一起燃烧发出强光;由于微爆现象的影响,液滴燃烧火焰形貌与强度分布不再稳定。     

含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程瞬态特性

为了解含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机工作过程的瞬态机理,建立了含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机数学物理模型。采用守恒元与求解元数值计算方法,对单循环含铝凝胶燃料脉冲爆轰发动机流场进行了数值仿真,分析了其爆轰反应过程与冲量产生过程的瞬态特征。计算结果表明,爆轰波作用下,凝胶燃料液滴变化以剥离破碎为主,燃料液滴中铝颗粒随液滴剥离弥散于爆轰管内并参与反应,累积在最后阶段反应的铝颗粒较少。凝胶燃料爆轰燃气排放过程可划分为爆轰附着膨胀、燃气"壅塞"膨胀和膨胀减弱等3个典型特征阶段。研究结果对凝胶燃料脉冲爆轰发动机的应用研究具有参考意义。     

纳米铝粉燃烧残余物的粒度分析

在常压下对纳米铝粉、普通铝粉及AP／Al/HTPB推进剂进行了点火试验，用激光粒度分析仪对燃烧残余物进行粒度分析。结果表明：纳米铝粉具有较低的着火点，而普通铝粉很难着火；普通铝粉在推进剂中燃料过程存在显著的凝聚行为，残余物粒度分布无规律，而纳米铝粉的燃烧则无明显的凝聚行为，燃烧物只是在尺寸上有所增大，粒度分布呈现较好的规律；纳米铝粉应用推进剂将有利于提高燃烧效率。     

纳米铝粉及纳米铝粉/煤油凝胶体系能量性能研究

测定了各单组分及纳米铝粉／煤油凝胶体系的燃烧热,表征了纳米铝粉及纳米铝粉／煤油凝胶体系的能量性能。实验结果表明,随着纳米铝粉含量的增加,纳米铝粉／煤油凝胶体系的质量恒容燃烧热呈降低趋势,这是由于煤油的燃烧热值较高,铝粉的燃烧热值较低所致;而各纳米铝粉／煤油凝胶体系的密度随纳米铝粉含量的增加呈升高趋势,体系的体积燃烧热也随纳米铝粉含量增加而升高。     

纳米铝粉在复合推进剂中的应用

考察了不同类型纳米铝粉的能量性能及热氧化特性。结果表明,纳米铝粉的活性铝含量低于普通铝粉,随活性铝含量的降低,纳米铝粉的燃烧热值降低;纳米铝粉呈现出与普通铝粉截然不同的热氧化特性。同时,研究了纳米铝粉对复合推进剂的燃烧性能与能量性能的影响,结果表明,纳米铝粉可提高推进剂的燃速和降低压强指数,有利于改善推进剂的燃烧性能,但纳米铝粉的低活性铝含量导致推进剂的爆热值降低。     

纳米铝粉在固体推进剂中的应用

介绍金属纳米铝粉的制备方法,阐述了用于固体推进剂的纳米铝粉的突出效应,例如燃烧完全、提高推进剂燃烧速率、降低压强指数等,并对纳米铝粉在固体推进剂中的作用机理、应用中可能存在的问题进行了分析,并提出了可行的解决措施。     

纳米铝粉热反应特性的TG-DSC研究

采用TG-DSC法对平均粒径85 nm的纳米铝粉进行了热反应特性研究,并与微米铝粉进行了对比.结果表明,铝粉热反应特性的尺度效应明显,纳米铝粉在517℃附近出现明显增重,500～660℃氧化增重20.4％,放热约4 909 J/g,而微米铝粉在600℃左右才有少量的增重,粒径越大,氧化增重越小,4～6、9～10、16～...     

推进剂用铝粉与水反应特性研究

用高压反应釜实时监测系统原位研究了铝/水反应的放热过程,提取了反应过程中3个特征温度(反应放热起始温度,反应速率最大温度,反应基本结束温度)和反应特征参数(反应放热起始温度点,反应速度,反应放热量),从而建立关于铝/水体系应用于固体推进剂的评价体系。同时,还探究了铝粉粒径、铝/水原料摩尔配比及加热功率对铝/水反应特性的影响规律。结果表明,在30～250℃温度区间内,纳米铝/水体系较微米铝/水体系性能更好,当铝粉粒径大于13μm时,没有明显放热;高功率加热条件有助于激发纳米铝迅速处于高活性状态,降低了反应放热起始温度,并高效释能;纳米铝/水的最佳原料摩尔配比区间为[1∶2,1∶2.2]。     

连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰波传播特性二维数值研究

为了研究液体燃料连续旋转爆轰发动机(Continuous Rotating Detonation Engine,CRDE)中爆轰波形成与传播过程,采用二维CE/SE方法,对汽油、富氧空气两相连续旋转爆轰发动机爆轰过程进行数值模拟,分析了连续旋转爆轰发动机气液两相爆轰流场和爆轰波结构及入口和出口处的流场变化规律,揭示了CRDE自持传播机理。计算结果表明,燃料以时段阶梯填充方式来起爆旋转爆轰,可快速有效地形成单方向稳定传播的爆轰波;在周向方向上出口处的流场间断面要延后于入口处的间断面,出口流场间断面主要是由斜激波和接触间断面造成的,而入口流场间断面是由爆轰波引起的。通过对气液两相CRDE的二维数值模拟,可更好地了解液体燃料CRDE的工作过程,为液体燃料CRDE研究提供指导。     

低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ＡＬＥ（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述跟踪自由液面；对于ＡＬＥ描述的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散，在空间域上利用有限元方法进行了数值离散；推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式；给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动，并得到了贮腔壁面处     

非线性晃动问题的ALE边界元方法

利用ＡＬＥ（任意的Ｌａｇｒａｎｇｅ－Ｅｕｌｅｒ）边界元方法数值求解了具有自由液面的非线性晃动问题，即受外力激励下流体的非线性振动问题。把ＡＬＥ有限元方法的思想应用到边界元方法中，得到了ＡＬＥ边界元方法。对于自由液面的非线性动力边界条件，应用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权方法进行了有限元数值离散。为了增加求解精度，对动力边界条件提出了增加误差修正项的数值求解方法。对时间变量采用Ｎｅｗｍａｒｋ方法进行离散。推导了系统非线性方程的预测－多次校正法迭代格式。进行了算例分析与比较，得到了令人比较满意的结果。     

全失重液体晃动的固有频率

本文研究失重条件下液滴，带核液体和球腔内液体晃动的固有频率，对于几何球对称系统，本文给出了其解析解；而对于非球对系系统，则采用边界元方法计算得到晃动频率的数值解。     

液体大幅晃动情形的航天器刚液耦合动响应仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉有限元(ALE)方法处理液体大幅晃动问题,并系统地建立了航天器刚-液耦合动力学的数值模型.通过液体受惯性力、刚体受流体作用力与力矩来实现系统的耦合,采用交错算法对液体晃动模块与刚体动力学模块进行迭代求解.将刚-液耦合系统的数值计算结果与物理试验及液体刚化计算结果进行了比较,验证了本文方法的适用性和...     

自紧式K形金属密封组件密封特性研究

K形金属密封是液氧/煤油发动机液氧管路系统中经常使用的金属密封结构,其密封性能关系着发动机能否可靠工作.针对自紧式K形金属密封组件,采用非线性有限元方法,基于局部理想粗糙度等效简化,研究了密封机理.仿真结果再现了密封接触面的形成模式,论证了“压力自紧式”密封特征和可重复使用特性,并以密封接触面积和平均接触应力为指标,获得了密封性能与拧紧力矩的敏感性关系.     

Equivalent mechanical model for liquid sloshing during draining

For a spacecraft draining liquid fuel during a continuous thruster maneuver, a brief equivalent method is proposed to model the time-varying properties of liquid sloshing for dynamics and control design. The sloshing liquid during draining is equivalent to a set of mechanical model with variable parameters. The model parameters for sample filling ratios are determined by an efficient finite element method according to equivalent principles, while the parameters for other filling ratios are obtained by piecewise linear interpolation. Using the proposed model, forces and torques acted on a Cassini shaped tank by the inside liquid during draining are investigated undergoing several typical motions. Verifications and comparative studies are done with Computational Fluid Dynamics simulations, which confirm the accuracy of the brief model while the sloshing amplitude is small and the flow rate is low.     

非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD（计算流体动力学）分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。
     

涡轮泵环形颗粒阻尼器设计

设计了一种用于液体火箭发动机涡轮泵减振的环形颗粒阻尼器。为研究颗粒阻尼器的减振性能,基于有限元法建立了附加颗粒阻尼器以及不加颗粒阻尼器的涡轮泵模型,计算过程中采用结构阻尼系数来描述颗粒阻尼器的阻尼特性。仿真结果表明．颗粒阻尼器能够显著降低涡轮泵的振动,并且对涡轮泵的动态特性影响很小。     

微重力下球形贮箱内液体晃动有限元模拟

以卫星球形贮箱为研究对象,用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法建立了数学模型,给出了计算的基本方程,并基于MSC-Dytran有限元程序,对常重力和微重力环境中贮箱内推进剂的晃动进行了数值模拟。结果表明,微重力环境中液体更易发生大幅晃动,甚至产生飞溅,工程中常用的等效力学模型已不再适用,而有限元数值模拟方法可较好地解决该问题,为卫星及大充液复杂结构航天器控制系统的设计和分析提供理论参考。     

卫星液体晃动气浮台仿真试验系统的运动分析

本文通过边界元数值法求解了部分充液自旋球腔内的液体晃动问题。以流体运动的基本方程和系统运动的Ｅｕｌｅｒ动力学方程为基础，考虑了贮箱偏置、涡旋、重力及Ｃｏｒｉｏｌｉｓ力等因素对流体晃动和系统运动状态的影响，求解出液体的速度场，并在此基础上估算液体的能量耗散率和系统的章动时间常数