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。     

飞行过载对固体发动机内弹道的影响

对某系列发动机参加历次典型短时大过载和长时间中小过载工况飞行试验中遥测压强数据进行了汇总分析,结合发动机飞行试验后喷管喉衬解剖数据,总结了发动机在各种飞行过载工况下内弹道变化规律。结果表明,在短时大过载条件下,发动机压强均有一定程度降低,下降幅值约0.2~0.4 MPa;在长时间中小过载条件下,因推进剂种类不同,喷管喉衬烧蚀和发动机压强变化规律不同;过载对推进剂燃速影响不大。     

AP-CMDB推进剂燃速压强指数的变化分析与辨识

采用燃烧模型分析了AP-CMDB推进剂的燃速压强指数与推进剂配方组成和火箭发动机燃烧室压强之间的耦合关系．指出了该推进剂的燃速压强指数随AP颗粒和双基母体的燃速差而变化,对于确定配方组成的AP-CMDB推进剂,则该指数将主要随压强而变化,且近似呈对数关系。采用C-K法对特定配方进行了压强指数辨识,辨识结果能够较准确地预示脉冲推力器的内弹道性能。     

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。     

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。     

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。     

固体火箭发动机燃烧室结构径向振动与内弹道性能的耦合计算

研究了由推进剂药柱和壳体组成的燃烧室结构径向振动对发动机内弹道性能的影响。在一维非定常内弹道方程中,分别考虑了结构径向振动对内弹道方程和燃速的影响,研究了在给定燃烧截面内,由于燃烧室压强变化引起的结构径向振动。据弹性力学理论和振动机理,得到了简化的等效径向振动方程;对内弹道和结构径向振动进行了耦合计算,分析表明当内弹道出现周期性的压强振荡时,会引发与结构径向振动之间的耦合作用,使得燃烧室压强振荡振幅上升一个量级,对发动机的工作安全产生危害。     

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。     

固体发动机飞行横向过载下绝热层烧蚀探究

某系列发动机参加历次典型横向短时大过载和长时间中小过载工况飞行试验后,对其绝热层解剖数据进行了汇总分析,总结出了发动机在各种飞行过载工况下的绝热层烧蚀规律。结果表明,绝热层在横向过载的反方向一侧存在一条明显的烧蚀槽,该处的烧蚀率显著大于周向其他位置的烧蚀率;绝热层最大烧蚀率与横向过载之间存在较强的线性关系;筒段绝热层最大烧蚀点位置出现在施加横向过载时绝热层开始暴露的位置附近。     

推进剂粘弹性对固体火箭飞行模态特性的影响

常规固体火箭振动模态特性分析中不考虑推进剂粘弹性的影响,实际上在飞行过程中推进剂的粘弹性会使固体火箭呈现复杂、变化的模态特性。飞行过程中,一旦结构的某阶模态与燃烧室声腔发生耦合振动,就有可能诱发燃烧不稳定,因此有必要掌握全箭实时模态参数。针对粘弹性推进剂使得火箭飞行过程实时模态参数难以预测的问题,提出了一种数值仿真模型修正方法,以空、满载固体火箭地面模态试验结果与仿真结果进行对比,证明了方法的准确性。对空、满载火箭模态参数进行对比还可以发现,当推进剂厚度随着燃烧逐渐变薄,全箭在弯曲振动中,发动机壳体的截面变形逐渐增大;发动机呼吸振动幅值也随之变大。在已知燃面退移量的前提下,可准确预示全箭在飞行过程中的实时模态参数,极大提升了固体火箭在飞行过程中的振动问题的分析及排查能力。     

新型高燃速推进剂在固体发动机内燃烧特性研究

新型高燃速推进剂是一种采用小球粘结、无溶剂挤成型的复合改性双基推进剂,20℃、6.86MPa下用靶线法实测静态燃速为46.25mm/s。为研究这种新型高燃速推进剂在发动机内的燃烧特性,在不同燃通比和燃喉面积比的装药条件下,进行了发动机试验,获得了相应的压强-时间曲线。分析结果表明,该推进剂在火箭发动机内不同压强下可出现3种完全不同的燃烧类型,即类似于双基推进剂的平行层燃烧、类似于超高燃速推进剂的对流燃烧和有限对流燃烧,并给出了3种燃烧类型的判断条件。     

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。     

过载下丁羟推进剂压强耦合响应试验研究

主要研究在轴向过载下丁羟推进剂的压强耦合响应,基于双脉冲外部激励的方法,建立了T型燃烧器旋转过载试验系统,开展了丁羟推进剂在0g、5g、15g轴向载荷下的压强耦合响应试验研究,获得了丁羟推进剂在T型燃烧室中的燃面增益常数。试验结果表明,轴向过载值越大,T型燃烧器平均工作压强越低,包覆套筒里凝相残渣质量越多,分析认为过载下铝粉在药面过度聚集使得铝粉未充分燃烧,导致丁羟推进剂能量没有充分释放;随着轴向加速度的增加,T型燃烧器燃面增益常数和凝相粒子浓度减小,从而造成阻尼效果明显减弱。     

“固体火箭发动机燃烧不稳定”专栏导语

<正>固体火箭发动机燃烧不稳定是个传统问题，也是当前工业界和学术界面临的共同挑战。燃烧不稳定是推进剂非稳态燃烧、燃烧室内非稳态流动和结构声特性耦合作用的结果，飞行过载、用于姿态控制的直接作用力等外部因素也可能是触发燃烧不稳定的重要条件。目前，最常见的燃烧不稳定是飞行过程中偶发的，这类现象用燃烧稳定性的线性分析方法无法解释，还难以准确预示，对工程研制造成的影响更大。固体火箭发动机燃烧不稳定的研究涉及压强振荡信号的处理与分析、发动机结构振动、     

低燃速HTPB复合推进剂过载情况下燃烧性能试验研究

利用固体火箭发动机离心试验方法,研究了低燃速(4 mm/s,4 MPa)、高铝粉含量的HTPB复合推进剂在过载情况下的燃烧加速度敏感性。试验分2组进行,第1组试验发动机平均工作压强为4 MPa,第2组为12 MPa,分别在0、5gn、8gn、15gn离心加速度条件下进行试验。通过对试验机理和试验数据分析发现,此类HTPB复合推进剂的燃速对过载加速度非常敏感。在较低加速度情况下,垂直于加速度的燃面处燃速出现了增加;同一压强(4 MPa)下,在0~15gn范围内,燃速与加速度近似呈线性关系。     

固体推进剂侵蚀燃速临界条件的度量

本文对那些最强烈影响侵蚀燃速随大发动机尺寸而变化的因素作用进行了测量,提出了侵蚀燃烧临界条件的尺度准则,给出了控制侵蚀燃烧现象有关参数变化时,对侵蚀开始出现的转变尺度临界条件度量的一系列发动机试验结果。试验结果和分析表明,侵蚀燃烧随推进剂燃速、发动机压力、质量流率的变化趋势和已有文献报导的结果相一致。绘出燃速增量与横向流速、比质量流率或横向流雷诺数的关系曲线,并不能提供必需的临界条件尺度相关性。对于湍流转变和侵蚀临界条件的速度分布来说,横向流雷诺数与燃面退移雷诺数间的尺寸相关性,说明了发动机中位置/流动历程的影响。将燃面退移雷诺数转变成轴向位置为特征尺寸的雷诺数时,可将临界条件尺度位置的依赖性归并为一条幂次相关曲线。     

高过载条件下固体发动机内流场及绝热层冲蚀研究

针对Ф315mm实验发动机和某发动机工作状态及结构特点，进行了发动机燃烧室内三维两相流动数值模拟和内绝热层的炭化冲蚀规律研究。计算中应用了颗粒轨道模型和二阶迎风有限体积方法，对纵、横加速度载荷下的两相流动进行了模拟，分析了纵、横向载荷对两种发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响；应用绝热层炭化冲蚀和两相流粒子热增量模型，分析了实验发动机在多种纵、横向过载作用下的绝热层冲蚀规律。在与Ф315mm实验发动机结果对照后，修正了炭化冲蚀计算所需参数，进一步预示了发动机的三维两相流场和炭化冲蚀率，并在35gn过载下分析了推进剂含铝量对粒子聚集密度和炭化冲蚀的影响。计算结果为发动机故障分析和实验发动机试车结果评定提供了理论基础。     

无喷管助推器非定常动边界内流场数值模拟

无喷管助推器依靠药柱的扩张面实现对气流的加速,燃面的线性增加及喉面的指数增加,使其内流场呈现明显的非定常性;侵蚀燃烧、压强的不均匀分布及药柱变形,使无喷管助推器的工作过程十分复杂。通过对FLUENT软件进行二次开发,建立了无喷管助推器的非定常动边界内流场数值模型,考虑了推进剂的点火过程和侵蚀燃烧,可获得各个时刻的燃面位置及内流场分布,从而可对发动机的内弹道性能进行较准确地预示。通过对某无喷管助推器的工作过程进行模拟,内弹道计算曲线与试验曲线吻合得较好。     

过载对固体火箭发动机性能影响试验研究(英文)

建立了立式旋转试车台,研究了高过载对固体火箭发动机性能的影响。通过地面静止及不同过载(15gn,15gn;35gn,15gn)条件下点火对比试验,获得固体火箭发动机在不同过载条件下内弹道性能以及绝热层和喉衬的烧蚀规律。试验表明,随着过载增加,发动机压强增大、工作时间缩短;横向与轴向的组合过载恶化了烧蚀环境,使喉衬出现偏心烧蚀。     

高过载条件下固体火箭发动机绝热层失效研究

根据化学反应／两相流耦合,建立了铝粒子燃烧模型,通过化学反应速率模型的模化湍流燃烧,对含铝推进剂固体火箭发动机在高过载条件下的内流场进行数值研究。结果表明,过载条件下燃烧室局部异常铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致绝热层异常烧蚀的主要原因。