同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数（1.1倍和2.7倍）的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明：在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm～200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm～900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。     

数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。     

基于数字同轴全息的铝颗粒燃烧粒度分布研究

铝颗粒的团聚效应会对固体推进剂燃烧造成不良影响,产生积渣、两相流损失等问题。为掌握铝颗粒的团聚机理,了解初始铝颗粒尺寸以及压强对铝团聚的影响,以优化推进剂配方及粒度级配,有必要对三维空间内铝颗粒的粒度分布进行研究。为解决传统检测方法的景深问题,采用了数字同轴全息（DIH）技术,并用普通镜头搭配4f透镜组取代长焦显微镜头构建了成像系统。实验一方面对两种具有不同初始粒径的推进剂A和B进行燃烧测量,另一方面对推进剂B分别在0.1,0.2,0.3MPa三种不同压强下的燃烧进行了测量,然后通过全息重建以及图像处理技术得到了燃烧铝颗粒的粒径信息,相对测量误差在9%以内,最后采用Normal和Log-Normal多峰拟合获取了粒度分布的详细参数。对比实验结果发现,常压下铝团聚体的尺寸随着初始铝粉粒径减小而减小;随着压强增大,铝团聚物的尺寸逐渐变小,体积概率密度逐步由双峰分布变为单峰分布,说明压强升高对于铝团聚有抑制作用。     

固体脉冲推力器羽烟粒度分布检测

为进行固体脉冲推力器点火启动过程的颗粒传热增强分析以及两相流动分析等研究的需要，采用MALVERN粒度分析仪和相应的辅助装置，检测了固体脉冲推力器排气羽烟中的颗粒粒度分布，得到了点火器燃烧产物和推进剂燃烧产物的颗粒粒度分布数据，检测结果表明，两种产物的颗粒粒度分布都呈多峰值分布状态，粒径范围为5～80μm，点火器燃烧产物的颗粒中间直径约为57μm；推进剂燃烧产物的颗粒中间直径约为39μm。     

固体火箭发动机两相内流场的连续介质-离散颗粒耦合混合模型数值模拟

为解决含Al推进剂固体火箭发动机内流场两相流动的数值模拟问题,采用将颗粒相视为连续介质和离散颗粒相结合的综合方法,建立起气相与颗粒相的双向耦合混合模型。针对颗粒类型与粒径尺寸的不同,采用拉格朗日法描述大粒径颗粒,平衡欧拉法描述小粒径颗粒,克服了现有模型难以全面考虑颗粒尺寸效应而使模拟精度下降的困难,通过算例验证了该混合模型的有效性和准确性。针对含Al推进剂固体火箭发动机内流场湍流气粒两相流动进行了数值模拟,分析了不同粒径尺寸颗粒的分布及其对发动机内流场和结构性能的影响情况。结果表明,大颗粒粒径在跨喷管段变化明显,平均减小30%。粒径40μm以上的颗粒易破碎,且燃烧效率进入平台区,较10μm颗粒下降50%以上,其Al含量均大于60%。     

复合推进剂中铝燃烧实验研究

采用长焦显微镜头和高速相机组合的光学拍摄方法,研究了不同压强下含铝复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程。分别在1MPa,3MPa和5MPa充满氮气的燃烧实验器中进行了实验。在3MPa和5MPa实验中,通过在镜头前增加不同透射率的中性密度滤波片解决了因铝滴燃烧发光过强导致相机成像过度曝光的问题。通过测定拍摄过程中相邻两张图片中同一粒径铝滴在不同位置,计算了不同粒径铝滴的随流运动速率。小粒径随流运动速率快,大粒径随流运动速率慢。实验中还得到了不同粒径铝滴在推进剂燃烧表面的团聚形成时间。1MPa实验下,200μm和150μm粒子的团聚时间分别约为8ms和6ms;3MPa下,300μm和200μm粒子的团聚时间分别约为5ms和3ms;5MPa下,300μm和150μm粒子的团聚时间分别约小于3ms和1ms。随着压强的增大,同一粒径团聚物的团聚时间缩短。在同一压强条件下,粒径越小的铝团聚物其所需团聚时间越短。     

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

影响Al2O3凝相尺寸分布的因素

用激光全息装置测量含铝复合推进剂燃烧场凝聚相的分布，分辨率为5μm。分析了滞留时间、铝粉含量（2％－16％）和燃烧室压强（0.1MPa-4MPa）对凝相粒子尺寸分布的影响，实验表明，粒子总数随滞留时间减少，粒子越大，减少的相对比例越大；粒子尺寸分布不随燃烧室压强和推进剂铝粉含量变化。     

影响Al2O3凝相尺寸分布的因素

用激光全息装置测量含铝复合推进剂燃烧场凝聚相的尺寸分布，分辨率为5μm。分析了滞留时间、铝粉含量(2%～16%)和燃烧室压强(0.1MPa～4MPa)对凝相粒子尺寸分布的影响。实验表明，粒子总数随滞留时间减少，粒子越大,减少的相对比例越大；粒子尺寸分布不随燃烧室压强和推进剂铝粉含量变化。     

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。     

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。     

收集处理方法对含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性影响

含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性对固体火箭发动机的燃烧效率、燃烧稳定性和绝热安全性等影响重大。为获得准确可靠的凝相燃烧产物的理化特性,利用定压燃烧装置来收集凝相燃烧产物,采用马尔文激光粒度分析仪、扫描电镜及X射线衍射仪对产物进行表征,研究收集介质、干燥处理和超声分散对凝相燃烧产物性质的影响。结果表明,使用水收集获得的凝相燃烧产物平均粒度与氮气收集条件下相比大60%,水收集法适用于研究推进剂近燃面凝相燃烧产物。干燥处理能保证凝相燃烧产物样品中大尺寸颗粒的有效取样,在粒度测试之前需要对样品进行干燥处理来获取准确的凝相燃烧产物粒度分布数据。超声分散会导致大颗粒团聚物含量降低,小颗粒团聚物含量升高,最终显著降低凝相燃烧产物平均粒径。粒度测试时,在80kHz条件下,超声分散参数设定为40 W,5 min较为合适。基于研究结果,提出了一套科学合理的凝相燃烧产物收集处理方法。     

NEPE高能推进剂凝相燃烧产物的特性分析

通过改进固体推进剂凝相燃烧产物收集装置,在降低系统复杂程度的同时实现了对工作压强的稳定控制。对NEPE高能推进剂在三种工作压强下产生的凝相产物进行了收集,采用粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对获得的凝相燃烧产物进行了深入分析。结果表明,对于NEPE高能推进剂,工作压强对峰值粒度的影响不大,各压强下的平均峰值粒度均在1μm至2μm之间;大部分粒子呈规则球形,少数大粒子会发生形状改变;铝粒子在燃烧室中一般不会全部被氧化成Al2O3。     

基于细观颗粒夹杂模型的固体推进剂导热系数预测

为准确预测固体推进剂的导热系数,采用了分子动力学方法对高填充比固体推进剂细观模型进行建模.利用有限元理论对固体推进剂细观模型稳态热传导进行计算,结合计算细观力学均匀化方法,计算了固体推进剂细观模型的均匀温度和热流密度.根据计算所得的平均温度和平均热流密度值求解稳态热传导方程,得到了两相和三相固体推进剂的宏观等效导热系数.其中,两相固体推进剂的仿真结果与试验结果的误差只有3.63%.结果表明:在预测固体推进剂导热系数时,采用固体推进剂的颗粒夹杂模型可以充分考虑粒径大小、颗粒随机分布的影响,更真实地反映固体推进剂的微结构特征,计算结果准确可靠.      

复合推进剂中铝粉粒度对分布燃烧响应和粒子阻尼特性影响

针对不同初始铝粉粒度的含铝复合推进剂,对其燃烧产物粒子阻尼特性和铝粒子分布燃烧响应特性进行了试验研究。试验结果表明:粒子阻尼的大小取决于流场中的凝相燃烧产物粒径分布和振荡频率,与推进剂中铝粉初始粒度基本无关;粒子阻尼预估方面,采用单一粒径预估的阻尼值与实际测量的阻尼值相比,仍存在一定的误差(10%),需要进一步改进;分布燃烧响应方面,在同一振荡频率范围内,分布燃烧响应特性与复合推进剂中初始铝粉粒度有关,即初始铝粉粒度越大,在燃烧过程中产生的分布燃烧增益越大,这对于发动机燃烧的稳定性是十分不利的。     

含铝固体推进剂铝团聚抑制方法研究进展

固体推进剂燃烧过程中铝团聚现象会引起诸如两相流损失、熔渣沉积、比冲降低和燃料能量释放不完全等一系列负面影响。因此,铝团聚抑制方法的研究对于提高发动机性能具有重要意义。本文简要介绍了固体推进剂燃烧过程中铝颗粒团聚过程及其影响因素,重点介绍了目前铝团聚抑制方法的研究进展,并分析和总结了现有抑制方法的机理和优缺点。最后,提出了未来需要关注的几个研究方向。     

低温下三组元固体推进剂燃烧波阵面变化规律实验研究

深入了解高能固体推进剂在低温条件下燃烧性能,获得燃烧波阵面变化规律,对评估推进剂在低温条件下的适应性能力具有重要指导意义。本文设计了燃烧波狭缝观测实验装置,采用高速摄影观测技术,对三组元HTPB固体推进剂在常温和低温条件下的燃烧过程进行了观测,获得了燃烧过程中波阵面的图像。结果表明,相比于在常温条件下,固体推进剂在低温条件下出现了燃烧波不稳定的情况。根据燃烧波图像计算出了推进剂的燃速,并与靶线法燃速测量结果进行比较。结果表明,两种方法测量的结果差异较小,推进剂在低温条件下的燃烧速度明显低于在常温条件下,常温条件的燃速在1.717～2.127mm/s,低温条件下的燃速在1.252～1.583mm/s。     

低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能影响研究

为研究固体填料粒度级配及工艺助剂对低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能的影响,本文依据固体颗粒堆积最密集排列理论,建立了固体颗粒级配模型,结合固体填料实际粒径,计算得到两种理想刚性球的堆积结果,并在此基础上考察了不同级配配方药浆流动性及触变性。同时,通过筛选工艺助剂种类及优化最适助剂用量,对比了加入不同工艺助剂配方药浆的触变性。结果表明：当采用双二级配模型,计算出的固体颗粒级配比例最优;通过进一步优化固体颗粒级配,结合药浆触变环大小快速判定了推进剂固体级配的合理性,提高了低铝低燃速HTPB推进剂配方工艺性能的可设计性;当工艺助剂选用SU-2,且用量为0.03%时,推进剂工艺性能明显改善,适用期可达596min。     

固体火箭燃烧室内微粒分布的实验研究

介绍一种实时脉冲取样器用于测定固体火箭燃烧室内凝相微粒尺寸分布技术，实验结果表明，含铝推进剂微粒呈二模态或三模分布，燃烧室内压力大，微粒趋大，燃烧室压力很小，微粒亦趋大，有一最小尺寸的压力值，残渣影响微粒尺寸测量，而推进剂燃烧特性将直接影响着微粒尺寸分布。     

基于表面粘结损伤的复合固体推进剂细观损伤数值模拟

为更准确地模拟固体推进剂的细观损伤,研究复合固体推进剂的非线性力学性能,采用分子动力学方法对高填充比复合固体推进剂细观模型进行建模,验证了Surface-based cohesive方法的可行性,并替代经典粘结单元模拟了复合固体推进剂细观颗粒与基体之间界面损伤的产生和聚合.通过对比固体推进剂细观模型的计算结果,研究了复合固体推进剂颗粒粒径、位置的随机分布对固体推进剂细观损伤及宏观力学性能的影响.结果表明,采用Surface-based cohesive方法对固体推进剂细观模型较易进行有限元前处理,易收敛,计算结果比较合理.