高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅱ)收缩管聚集法

发展了一种能开展高过载条件下绝热层烧蚀研究的模拟实验方法——收缩管聚集法，研制了收缩管聚集高过载模拟烧蚀实验装置。对实验装置及固体火箭发动机过载条件下的三维两相内流场开展了对比数值模拟，结果表明这种实验装置产生的高浓度粒子流与40g纵横向过载条件下发动机内形成的高浓度粒子流状态很接近，说明这种实验方法是可以模拟高过载条件下绝热层烧蚀环境的。利用这套实验装置开展了高浓度粒子流冲刷条件下绝热层烧蚀实验，对6种绝热材料开展的烧蚀实验表明：所有试件表面均被冲蚀出一个凹坑，说明粒子冲刷对绝热层烧蚀影响很大。凹坑最大烧蚀部位与数值模拟得到的粒子浓度最大部位基本吻合。     

固体火箭发动机喷管喉部凝相颗粒粒度分布实验

设计了一种新的收集固体火箭发动机喷管凝相颗粒的实验装置,针对典型的HTPB复合推进剂,开展了喷管喉部凝相颗粒的收集实验和粒度分析,研究了燃烧室压强和收敛角度对喷管喉部颗粒粒度分布的影响规律。研究结果表明,喷管喉部的凝相颗粒在0.27～50μm之间都有颗粒存在,凝相颗粒主要集中在0.3～15μm之间,粒径大于15μm的颗粒较少;燃烧室压强对颗粒粒径有较大影响,随着燃烧室压强的升高,凝相颗粒粒径变小,粒度分布更为集中;燃烧室压强相同的条件下,收敛角度对喷管喉部的凝相颗粒粒度分布影响较小。     

聚集状态下燃烧室凝相粒子粒度特性实验

设计了具有收敛段的粒子发生装置,采用密闭收集水罐,针对HTPB推进剂开展实验,有效完整地收集到了聚集状态下的凝相粒子。采用扫描电镜和粒度分析仪对收集的粒子进行了分析。结果表明,聚集状态下颗粒间碰撞聚合非常严重,大颗粒一般由多个颗粒聚合而成。碰撞聚合条件下凝相粒子的粒度分布范围比较宽,颗粒分布峰值粒度在9～13μm之间,比非聚集状态下的主峰粒度大很多。研究结果可为两相流数值计算、发动机工作过程分析提供基础数据。     

中、小过载下战术发动机内流场数值模拟

针对战术发动机的飞行条件,建立了固体发动机过载条件下内流场两相流计算模型,开展了3种典型中、小飞行过载下的流场计算,详细分析了燃烧室内凝相颗粒冲刷参数分布,并初步分析了颗粒聚集状态与绝热层烧蚀之间的关系。研究结果表明:(1)当横向过载达到一定程度,在发动机筒段绝热层表面,在承载面沿着流场方向会形成一条粒子浓度缓慢增大的聚集带,而在非承载面粒子分布较为稀疏。(2)过载大小对颗粒冲刷速度的影响不明显,主要原因是燃气本身对颗粒运动的轴向加速很大,而过载的作用体现不明显。(3)燃烧室中粒子密集区一定程度反映了该部位的烧蚀环境较为严酷,绝热层烧蚀主要由于凝相粒子低速聚集导致了局部热增量加剧并引起了颗粒的二次聚集效应。因此,长时间中、小过载下,为了缓解燃烧室绝热层局部的严酷烧蚀环境,在已知粒子冲刷参数分布下,可增加局部绝热层设计厚度,调整发动机的飞行姿态使承载面呈现正负交替的过载以及增加发动机自身旋转动作。     

含铝固体复合推进剂颗粒团聚现象

含Al固体复合推进剂在燃烧过程中，燃烧表面存在Al颗粒团聚现象，其对火箭发动机性能产生重要影响。通过分子动力学算法建立固体复合推进剂三维颗粒微观模型，实现了模拟三维空间内AP颗粒和Al颗粒的随机分布特征。并建立了颗粒的团聚模型，分析研究Al颗粒在随机填充模型中的团聚现象，得到了不同的临界分离距离下Al颗粒粒径分布规律，并将之与实验数据进行对比，最终总结出了合适的临界分离距离与Al颗粒直径的经验公式。然后总结出了Al颗粒在气固交界面发生团聚后粒径的分布规律，设计了Al颗粒在气固交界面的Rosin-Rammler概率分布函数，分析得到其均匀性系数与特征系数分别为1.445 3与86.49，可用于数值模拟计算固体燃料燃烧面退移过程中表面Al颗粒喷射的初始粒径。     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅰ)方案论证及数值模拟

分析了高过载对固体火箭发动机流场和绝热层烧蚀的影响规律，提出一种新的研究思路：采用数值模拟方法来预示发动机三维两相流场，建立高过载流场模拟实验装置，开展绝热层烧蚀实验，建立高过载条件下的绝热层烧蚀模型，在此基础上发展高过载发动机绝热层设计和烧蚀预示方法。其中关键技术是高过载流场的模拟，对粒子加入法和弯管分离法两种方案进行了论证，认为弯管分离法原理上是可行的。为了验证这种方案的可行性，开展了弯管通道两相流的数值模拟研究，计算结果表明弯管装置具有使凝相粒子聚集形成高浓度粒子流的功能。     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究(Ⅰ)方案论证及数值模拟

分析了高过载对固体火箭发动机流场和绝热层烧蚀的影响规律,提出一种新的研究思路:采用数值模拟方法来预示发动机三维两相流场,建立高过载流场模拟实验装置,开展绝热层烧蚀实验,建立高过载条件下的绝热层烧蚀模型,在此基础上发展高过载发动机绝热层设计和烧蚀预示方法.其中关键技术是高过载流场的模拟,对粒子加入法和弯管分离法两种方案进行了论证,认为弯管分离法原理上是可行的.为了验证这种方案的可行性,开展了弯管通道两相流的数值模拟研究,计算结果表明弯管装置具有使凝相粒子聚集形成高浓度粒子流的功能.     

长时间小过载条件下发动机流场特征及绝热层烧蚀分析

以揭示固体火箭发动机在飞行条件下绝热层的异常烧蚀特性为目的,针对小过载、长作用时间条件下大长径比流道的发动机开展了三维两相流场的数值模拟研究,详细分析了发动机内流道内不同区域的颗粒聚集特征,并结合发动机失效部位处绝热层的烧蚀形貌进行了失效模式分析,针对性地提出了改进措施.研究结果表明:(1)不同过载条件下发动机内颗粒聚集和分布状态受过载大小和发动机流道结构共同作用且影响规律复杂,所引起的绝热层异常烧蚀模式和机理不同,特别是小过载长作用时间条件下的异常烧蚀需要引起设计者重视.(2)颗粒聚集在绝热层表面的换热或冲蚀都将引起绝热层局部烧蚀加剧,形成的“凹坑或凹槽”烧蚀形貌会造成颗粒的二次聚集效应,进而加剧烧蚀过程.(3)通过增加发动机旋转动作和局部绝热层加厚,可以提高发动机的飞行安全性.     

飞行过载对燃烧室化学反应流场影响

为了研究飞行过载对固体火箭发动机燃烧室化学反应流场影响,以Liang模型模化铝滴燃烧,以有限化学反应速率模型模化湍流燃烧,对过载条件下发动机内流场进行了数值分析,数值结果与试验结果取得了趋势上的一致。研究表明,文中采用的数值计算方法可有效重现发动机热结构故障点;飞行过载改变了流场温度、粒子浓度、化学反应速率等参数分布;过载条件下燃烧室绝热结构表面铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致其异常烧蚀的原因之一,铝滴局部积聚燃烧会导致温度场畸变;热结构设计必须与流动结构匹配。     

动态横向过载对固体火箭发动机内弹道的影响

为研究动态横向过载下固体火箭发动机（SRM）的内弹道特性，进行了某三组元复合推进剂在-50g～50g过载加速度下的燃速测量，结合Greatrix多参数模型建立了该推进剂的过载燃速模型；基于此模型，对管型内孔燃烧装药进行了横向过载下的燃面退移模拟，建立了动态横向过载下大长径比发动机的内弹道计算模型。结果表明：过载对该推进剂燃速影响存在一个角度阈值，负角度过载影响很小；瞬间一个横向过载会使燃烧室压强发生跃迁，在100g过载下，压强增加8%左右，过载消失，压强骤降；若受横向过载时间间隔一定，100g过载下导弹后作机动飞行（t=12～15 s）比先机动飞行（t=3～6 s）压强变化幅值小1%，对飞行更有利。     

过载条件下固体发动机内流场数值模拟

应用颗粒轨道模型，连续相控制方程按二阶迎风有限体积方法进行离散，并对纵、横加速度载荷均为20g、30g和35g的固体火箭发动机燃烧室内两相流动进行了模拟。结果表明，有纵横加速度载荷的情况下，发动机燃烧室内颗粒相会形成粒子聚集流，对承载方向的装药和壁面产生严重的冲蚀，明显改变了发动机燃烧室内原有的轴对称流动形态，同时承载方向上粒子聚集流的最大密度点随横向加速度的增加而远离发动机后封头。这些结果与实验发动机试车结果有较好的一致性，为发动机绝热层异常烧蚀机理分析提供了理论依据。     

用RTR技术确定SRM燃烧室凝相粒子加入边界条件

由于缺乏有效的实验手段, 目前的ＳＲＭ 颗粒轨道模型很不完善, 其中粒子的加入边界条件完全是建立在人为假设的基础上。针对这种情况, 发展了一种以实验为基础的确定凝相粒子加入边界条件的方法, 首先利用ＲＴＲ技术对实验发动机热试车条件下凝相粒子的运动进行实验研究, 通过图象处理技术获得粒子的运动轨迹, 然后采用轨道模型法计算实验条件下凝相粒子的运动轨迹, 通过轨迹反推法给出了粒子加入边界条件。     

前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性

基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型.对比分析了纯气相和气固两相...     

某固体火箭发动机工作末期不稳定燃烧

针对某固体火箭发动机工作末期出现的压力振荡现象开展了数值研究与线性预估.通过有限元方法得到了燃烧室空腔的声模态及固有声振频率,轴向1阶与2阶声振频率随燃面退移先减小后增大;利用大涡模拟方法分析了燃烧室内的流场特性及压力振荡特性,振荡频率与试验结果一致,判定该发动机出现了以轴向1阶声振频率为主导的不稳定燃烧;其次分析了发动机内阻尼特性,其阻尼随燃面退移不断减小;最后通过不稳定燃烧线性理论解释了该发动机工作末期出现压力振荡的机理,表明燃面退移过程中喉通比下降是导致发动机由线性稳定转向线性不稳定状态的关键因素.      

用RTR技术研究固体发动机燃烧室中粒子运动轨迹(Ⅱ)图象处理技术应用

针对采用RTR技术获取固体火箭发动机（SRM）燃烧室中凝相粒子运动图象的特点，应用了背景减影、图象增强、图象分割、噪声过滤、图象叠加等图象处理手段对其进行处理，获得了较清晰的粒子运动轨迹图象。结果表明图象处理技术是开展利用RTR技术进行SRM二相流研究的关键环节之一。     

基于电流阈值的开关磁阻电机位置估计容错分析

在基于双电流阈值的位置估计基础上,提出了一种考虑电流传感器故障和估计误差补偿的位置估计容错技术。通过双电流阈值与脉冲电流峰值比较估计位置检索脉冲信号,利用开关磁阻电机相与相之间的独立性,利用正常相的电磁信息间接估计传感器故障相的转子位置信号。通过仿真计算得到转速对位置估计误差的影响,并提出了位置误差补偿措施。在一台12/8结构样机中进行了相关试验,试验结果表明,所提方法提高了无位置传感器技术的容错性,验证了该算法的正确性和可行性。     

过载条件下不同配方体系绝热材料筛选及烧蚀特性

以国内某发动机在飞行过载下绝热层的异常烧蚀为研究背景,基于地面过载模拟装置,模拟了飞行过载条件下的颗粒冲刷状态参数,针对不同配方体系的绝热材料开展了筛选试验以及烧蚀特性研究,实验获得了三种材料的最大炭化烧蚀率和质量烧蚀率,筛选出了实验条件下抗颗粒冲刷能力较强的绝热材料,并针对实验后绝热材料的炭化层进行了电镜扫描分析,结合绝热材料配方开展了抗烧蚀特性分析。研究结果表明：（1）在实验条件下,材料B的炭化烧蚀率和质量烧蚀率均最大,材料A的居中,材料A1的最小,材料A1的抗颗粒冲刷性能最佳;（2）由于芳纶纤维的原位成炭特性,决定了三元乙丙/芳纶纤维体系绝热材料的炭化层具有一定结构强度,而恰当的纤维和SiO2含量将会增强绝热材料的抗烧蚀性能;（3）根据研究结果,建议在工艺允许的情况下,可以考虑研制同时采用芳纶纤维和石棉纤维的绝热材料体系,在针对颗粒冲刷条件时,炭化层内即有可以形成骨架结构的芳纶纤维,又可以利用石棉纤维在受热分解时SiO2和MgO熔融后和纤维以及基体之间的粘结交联效应。