基于ADN基液体推进剂的无毒可贮存空间发动机试验研究

对一台基于ADN基液体推进剂的无毒空间发动机进行了试验研究。通过三维PDA(Phase Doppler Anemometry)综合测量系统,获得了发动机喷注器的雾化性能,得到了喷注器雾化液滴空间上的双分支分布以及液滴尺寸上的双峰状分布;通过高空模拟热试车试验,对于发动机的稳态、脉冲工作性能、工作过程中包含的催化分解及燃烧反应特性有了深入理解,研究了发动机启动时燃烧室内的建压和温度抬升过程,揭示了ADN基发动机在点火过程中体现出的点火延迟特性。     

HAN基单组元发动机均匀分配喷注器设计及试验研究（“液体火箭推进”专刊）

硝酸羟胺基（简称HAN）推进剂要比肼类推进剂稳定,将相同质量的HAN基推进剂完全分解,HAN基推进剂所需的时间要比肼推进剂要长。为了增大推进剂与催化剂的初始接触面积,使推进剂在催化床内均匀分布,开展了发动机喷注器的均匀分配方式研究。通过采用VOF模型对新型喷注器结构的喷注过程和雾化效果进行数值仿真研究,为喷注器结构优化提供理论支持。同时通过三维PDA（Phase Doppler Anemometry）测量系统,获得了两种喷注器结构雾化液滴空间上的密度分布、直径大小以及轴向速度等对比情况。最后,通过地面热试车试验,对两种喷注器结构的发动机在脉冲温启动、稳态工作性能及燃烧反应特性等方面进行了对比,带喷注芯体的喷注器结构在开机响应特性和燃烧性能方面都更好。     

HAN基单组元发动机均匀分配喷注器设计及试验研究

硝酸羟胺基（简称HAN）推进剂要比肼类推进剂稳定,将相同质量的HAN基推进剂完全分解,HAN基推进剂所需的时间要比肼推进剂要长。为了增大推进剂与催化剂的初始接触面积,使推进剂在催化床内均匀分布,开展了发动机喷注器的均匀分配方式研究。通过采用VOF模型对新型喷注器结构的喷注过程和雾化效果进行数值仿真研究,为喷注器结构优化提供理论支持。同时通过三维PDA（Phase Doppler Anemometry）测量系统,获得了两种喷注器结构雾化液滴空间上的密度分布、直径大小以及轴向速度等对比情况。最后,通过地面热试车试验,对两种喷注器结构的发动机在脉冲温启动、稳态工作性能及燃烧反应特性等方面进行了对比,带喷注芯体的喷注器结构在开机响应特性和燃烧性能方面都更好。     

脉冲爆震火箭发动机同轴喷注器实验研究

为了使液态燃料在脉冲爆震火箭发动机爆震室内形成雾化均匀的小液滴,并且与气态氧化剂掺混后形成空间分布均匀的混合气,设计了适用于脉冲爆震火箭发动机的气液同轴剪切式喷注器。实验研究了三种喷注器结构对脉冲爆震发动机工作过程的影响,结果表明,采用同轴剪切式喷注器的脉冲爆震发动机在20Hz能够产生稳定、连续和充分发展的爆震波。实验中发现,在同时满足雾化良好以及爆震室填充均匀的条件下,喷注器的出气口存在一个最佳面积,实验研究中喷注器出气口的最佳直径在12mm左右。     

侧向互击型层板喷注单元的喷雾特性

对侧向互击型层板喷注单元的喷雾特性进行了试验研究。利用PDA测量了喷雾场下游典型截面上各点的液滴速度、直径、体积通量等参数。分析了喷注单元的雾化过程和喷雾特点,同时研究了混合比和喷注单元的结构参数流道截面积比、喷口宽度的影响。实验结果表明,混合比的提高有利于雾化和喷雾分布;喷注器的结构参数对雾化质量、液雾的空间分布特性具有重要影响。在喷口槽宽合适时,存在最佳的流道截面比,有利于改善雾化。对于一定的流道截面比和混合比,存在最佳的喷口尺寸使雾化质量和喷雾分布最优。结果表明,对于侧向互击型层板喷注器,通过合理的选结构参数,能够控制推进剂的雾化、空间分布和混合,实现所需要的喷雾分布。      

大流量同轴式喷注器雾化过程及喷雾两相流数值模拟研究

对大流量同轴式喷注器的雾化性能进行了理论和试验研究，建立了喷注器雾化过程的理论模型，提出了应用随机方法来描述液滴初始参数的喷雾模型，并对喷注器下游液雾两相流场进行了数值模拟研究，计算结果和试验结果符合较好，得到了喷注器结构参数和工作参数对其雾化性能的影响规律。     

空间双组元发动机离心式喷注器的喷注流场诊断技术研究

对空间双组元发动机核心部件喷注器的喷雾流场可视化诊断技术开展了研究,有效识别了传统分析手段难以发现的雾化场缺陷,对发动机工作特性进行早期诊断,实现故障预防和设计优化.离心式喷注器的雾化喷注流场包含了大量的数据信息,可以通过高速摄影和图像分析进行数据挖掘分析.通过均值图像和余弦相似性计算对喷注流场的空间分布结构进行诊断,...     

针栓喷注器径向孔形状对喷雾特性影响实验研究

径向孔型针栓喷注器是目前所用的针栓喷注器中广泛应用的构型,径向孔的构型直接影响其喷雾特性,包括空间分布特性和雾化性能.在保持总流通面积和阻塞比(BF)一致的前提下,设计加工了4种结构的径向孔型液液针栓喷注器,并通过冷试试验具体研究了径向孔的几何形状及高宽比对喷雾形态、喷雾锥角、喷雾浓度分布特性和雾化性能的影响.采用背景...     

双组元推力器燃烧室脉冲工况数值模拟

为模拟一甲基肼/四氧化二氮双组元推力器燃烧室的脉冲工作过程,分析研究了燃烧室工作过程涉及的喷注雾化、液滴运动、液滴蒸发、自燃点火、液膜流动、熄火等,在此基础上建立了分析双组元推力器燃烧室脉冲工况的准一维模型,并利用此模型对离心式10N双组元推力器的燃烧室脉冲工作过程进行了数值模拟,其仿真结果与发动机的工作参数和理论分析比较吻合,该模型为此类发动机的设计和性能分析提供了参考。     

气液同轴直流式喷嘴喷雾及燃烧试验研究

介绍了气液同轴直流式喷嘴的冷流喷雾特性实验研究和热点火燃烧试验工作。冷态实验以空气和水作为模拟工质在亚临界条件下模拟燃气和液氧, 研究了气液喷嘴的雾化特性、流量特性和气液两相的相互影响。用液氧和高温燃气对多个喷注单元组成的喷注器在超临界压力下进行了燃烧试验。通过冷态和热态试验, 确定了 4种喷嘴的性能优劣。      

横向互击型层板喷注器的喷雾特性

利用激光粒子动态分析仪 (PDA)对 180°互击型层板式喷注器的喷雾特性进行了试验研究 ,测量了喷雾典型区域的液滴速度、直径、体积通量密度等参数。分析了喷注器的雾化过程和喷雾特点 ,同时重点研究了喷口槽宽、推进剂流道面积比以及推进剂喷注速度比等参数对喷雾特性的影响。试验结果表明 :喷雾沿喷口展向可分为三个明显区域 ,中间区域流量较小但雾化较细 ,从槽两端喷出的液雾流量较大但液滴尺寸较大。对于一定的流道截面比γd 和喷注速度比γv,存在一个最佳的喷嘴槽宽w使雾化质量最优。同时 ,在喷嘴槽宽合适时 ,流道截面比γd 和喷注速度比γv 的适当增大有利于改善雾化     

ADN基发动机燃烧室CO组分实验测量

为研究ADN基发动机燃烧室内的燃烧过程,搭建了一套基于可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)实验测量系统。实验采用直接吸收光谱法对ADN基发动机燃烧室内CO组分摩尔分数进行测量,获得了喷注压力分别为1.1MPa,0.9MPa,0.7MPa,0.5MPa时,发动机燃烧室内CO组分摩尔分数随时间的变化。实验结果表明当发动机喷注压力由1.1MPa下降到0.5MPa时,燃烧室内CO平均摩尔分数由2%上升到4.7%,这表明发动机喷注压力的变化影响燃烧室内ADN基推进剂化学反应进程,当喷注压力下降时燃烧室内CO摩尔分数升高,ADN基推进剂燃烧不充分。     

液气式针栓喷注单元喷雾场结构试验研究

径向孔型针栓喷注器相对于径向缝型针栓喷注器具有更复杂的喷雾场。为了研究径向孔型针栓喷注器的喷雾场结构，将径向孔型针栓喷注器简化为单个气体射流与液膜碰撞的针栓喷注单元，采用了背景光成像系统结合激光相位多普勒技术（PDA），以水和空气为模拟介质，对液气式针栓喷注单元的喷雾场进行了试验研究。试验结果表明，液气式针栓喷注单元喷雾的三维结构呈现“喇叭”状。根据喷雾的形成过程及液滴的分布，液气式针栓喷注单元喷雾可以划分为4个区域：碰撞区、液滴区、液雾区及液丝区。液气式针栓喷注单元喷雾的分布范围可由内边界角、外边界角、中线角及散布角表示，均随局部动量比的增大而增大。液滴区的粒子主要由碰撞过程产生，SMD较大；液雾区的粒子经碰撞过程产生后，在气动力作用下进一步雾化，SMD小。由于液雾区的速度和粒径同时受到气动力作用的影响，粒径分布与速度分布在空间上呈现负相关趋势。     

针栓喷注式MMH/NTO推力室燃烧及传热数值仿真

为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响,采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得,流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型,流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示,采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%~3.5%;仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明:针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著;对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言,改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。     

不同电极材料下ADN基液体推进剂电点火特性的实验研究

目前二硝酰胺铵(ADN)基液体推进剂在工程应用中均采用催化点火燃烧方式,而电点火可以避开催化剂高温失活、冷启动等问题。为了研究ADN基液体推进剂的电点火特性,在密封装置中开展了不同电极材料下推进剂液滴电点火实验,并研究了180V～230V电压范围内液滴着火延迟时间、着火持续时间以及燃烧过程的变化规律。结果表明:ADN基液体推进剂能够通过电阻加热点火方式点燃。采用钨丝电极时,着火延迟时间、着火持续时间和反应总时间均随着电压增加逐渐减小,在230V电压时相对于180V时分别减小了25%,56%和38%。采用钼丝电极时,着火延迟时间在180V～200V范围随着电压增加逐渐降低,在200V～230V电压范围内基本不变;着火持续时间总体上随着电压的增加而呈现略微增加的趋势,但增加幅度较小;反应总时间在180V～230V电压范围内基本稳定在1.5s左右。     

考虑喷注流强分布的纵向稳定性建模与分析

喷注器流强分布是除声学阻尼装置以外使液体火箭发动机稳定工作的重要措施,通过控制喷注流强分布使推进剂的燃烧尽量远离主要振型的波腹区,减少热声耦合振荡的能量源,从而达到抑制高频振荡的效果。因此,建立喷注流强分布与稳定性之间的综合分析模型,研究流强分布的不稳定性抑制特性具有重要实际意义。针对采用自击式喷嘴器、液滴蒸发作为燃烧速率控制过程的某自燃推进剂缩尺燃烧室高频纵向燃烧不稳定问题,近似采用蒸发速率峰值区代替集中燃烧释热区,引入燃烧室三维声学控制方程以考虑多喷嘴条件下燃烧响应空间分布,建立了针对喷注器流强分布条件下的高频纵向燃烧稳定性分析模型,并对喷注流强的稳定性抑制特性进行了分析,给出了不同分布流强下燃烧室一阶纵向信号的增长率变化规律。研究表明,喷注流强分布有利于燃烧室稳定,"驼峰区"喷注孔径的增大对改善高频纵向不稳定性更为显著,"驼峰区"流强增加30%,相应的增长率降低15%。     

凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验

在来流总温为1486K、总压为1.6MPa、马赫数为2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验,研究了喷嘴孔径、喷注位置对点火性能的影响.结果表明:上游凹腔底壁大孔径喷嘴喷注燃料,下游凹腔点火的方案点火性能高,在煤油总体当量比为0.102~0.206范围内均可实现成功点火与稳定燃烧;燃烧反压向上游的传播过程具有明显的滞后性且与分离区的形成过程紧密耦合;燃料喷注方案决定了煤油雾化燃料场的分布,燃料的分布特征又决定了点火特征.      

RBCC发动机亚燃模态一次火箭引导燃烧的实验

针对使用液体煤油燃料(JP-10)的火箭基组合动力循环(RBCC)发动机在亚燃模态下使用一次火箭作为引导的燃烧组织开展了实验研究.实验在低来流总温条件下,使用小流量一次火箭羽流作为引导火焰可以实现液体煤油的可靠点火和稳定燃烧,并在扩张燃烧室中实现“热力壅塞”,从而完成RBCC发动机亚燃模态的高效燃烧.在目前发动机燃烧室构型下,通过一系列的发动机壁面压力分布曲线和推力增益的比较,研究了凹腔,支板及壁面喷注位置对发动机性能的影响.实验的结果表明:在一次火箭的下游使用支板喷注器可以使得燃料较容易的分布在主流中,并且在一次火焰羽流的引导下可以实现稳定高效的燃烧.支板喷注器的位置对于发动机的性能有很大的影响,在凹腔前壁面横向喷注燃料,有利于RBCC发动机燃烧性能的提升.为了获得较优的发动机亚燃模态性能,需要进一步对燃料的喷注策略开展优化研究.      

气液两相同轴喷注器的流强及混合比分布的实验研究

气液两相同轴式喷注器是广泛应用于液体火箭发动机燃烧室的一种雾化装置。喷注器出口下游的流强及混合比分布,是直接影响燃烧性能的重要参数之一。本文利用自行设计制造的两相探针,试验测量了某型气液两相同轴喷注器的流强及混合比分布。实验结果显示了在不同控制参数条件下其分布的详细情况以及不同喷注器几何尺寸对它的影响,对了解此类喷注器的气液两相流场结构及喷注器的设计和改进有重要的参考价值。     

针栓式喷注单元膜束撞击雾化混合过程数值模拟

为了全面认识针栓式喷注器喷雾场结构，基于自适应网格加密技术和分三相计算的PLIC VOF（Piecewise Linear Interface Calculation Volume of Fluid）方法对针栓式喷注单元膜束撞击雾化混合过程进行了仿真分析，通过对两路推进剂分别进行界面追踪，获得了膜束撞击雾化混合过程的详细结构特征，与高速摄影试验结果定性定量对比均吻合较好，验证了数值方法的准确性。以此为基础对膜束撞击的喷雾场结构、撞击变形过程、流场涡结构、雾化破碎典型特征及破碎后的雾化混合分布特征进行了识别分析，结果表明：膜束撞击形成了液束未穿透液膜和液束穿透液膜2种不同的喷雾扇结构。膜束撞击形成的喷雾扇呈"Ω"形，膜束同时发生弯曲变形和横截面变形。另外，膜束撞击同时受到正压和剪切应力作用，导致了一系列复杂涡流现象，使得相互作用增强，雾化混合均增强，这也是膜束撞击喷注构型优于膜膜撞击的本质原因。最后，还发现膜束撞击喷雾场液滴分布呈现分区结构特征，分别是液束控制主导的上雾化区、液膜控制主导的下雾化区及夹在中间的混合区，实际中应兼顾雾化特性和混合特性，选取中等动量比膜束撞击，这可为针栓式喷注器的理论研究和工程设计提供重要参考。