氢氧火箭发动机高模试验富氧蒸汽引射仿真

氢氧火箭发动机在高空模拟试验中喷出富氢燃气,其中的残余氢气与倒吸进引射系统中的空气混合容易发生爆炸,为研究富氧蒸汽引射处理氢氧火箭发动机高空模拟试验中残余氢气的技术,采用计算流体力学(CFD)及多步化学反应动力学模型开展单级环形超—超引射器仿真,获得富氧蒸汽引射的平均流场,分析富氧蒸汽引射并发生补燃时超—超引射器的稳态工作特性,并考察富氧蒸汽中氧气含量、富氧蒸汽温度对残余氢气处理效果的影响。仿真结果表明,富氧蒸汽引射并发生补燃时环形引射器在稳态下正常工作;补燃主要发生在引射器混合室和第二喉道前端的剪切混合层;增大富氧蒸汽的氧气含量或温度,可使引射器排气中残余氢气含量降低,增强燃气处理效果。     

蒸汽发生器掺混工质对引射性能的影响分析

在火箭发动机高空模拟试验领域,常采用蒸汽发生器供应大流量的引射工质.蒸汽发生器利用燃料和氧化剂化学反应,并和掺混工质混合产生引射工质.为了分析掺混工质对蒸汽发生器供应引射工质的性能的影响,开展了理论计算研究.首先,分析了冷却水掺混量变化对引射器零二次流引射性能的影响,结果表明在最小启动压力点,随着冷却水量增加,最小启动压力增大,真空度提高,一次流流量增加,消耗的酒精先减小后增大;其次,分析了采用不同流量液氮作为掺混工质的引射效果,结果表明在最小启动压力点,随着液氮量增加,最小启动压力增大,真空度提高,一次流流量增加,消耗的酒精减少;最后,比较了2种掺混方法,发现采用液氮作为掺混工质,极限真空度更高,引射能力为采用水掺混的3倍.对于带有二次流的超超引射,二次流一致时,2种方式的压缩比相当,但液氮掺混工作范围更宽.     

环形引射器两相流动数值模拟

蒸汽引射器是上面级火箭发动机进行高空模拟试验时获得真空的重要设备。采用数值模拟方法,通过Fluent对氢氧火箭发动机高空模拟试验用环形蒸汽引射器内部流场进行了研究,分析水蒸气两相流动及不同的入口工况和结构尺寸对极限真空压力的影响。考虑水蒸气的两相流动,在数值模拟中加入了水蒸气的凝结相变模型,并通过试验数据开展了模型验证,验证结果为:加入相变模型后极限真空压力降低,仿真结果更接近试验数据。在此基础上,研究了喷嘴入口工况和引射器结构尺寸对极限真空压力的影响,仿真结果表明:在引射器能够启动的条件下,降低蒸汽入口总压或提高入口总温,减小喷嘴出口壁厚或增大混合室直径,均能降低引射器的极限真空压力。因此,若想提高引射器真空度,可以通过改变入口工况或调整引射器结构尺寸来实现。     

来流马赫数对引射火箭引射量的影响研究

研究引射火箭引射量随来流马赫数的变化关系,对引射量由火箭引射主导向冲压主导之间转换点的选取以及一次火箭的质量管理具有重要意义.采用数值分析和实验研究,探索了引射火箭引射量随来流马赫教的变化关系.结果表明,针对所采用的引射火箭发动机构型,引射量随来流马赫数变化的拐点约为Ma=1.3～1.5,当来流马赫数Ma<1.3时,引射量由火箭引射主导,随来流马赫数的增加,引射量变化较缓慢;当来流马赫数Ma>1.5时,引射量由冲压主导,随来流马赫教的增加,引射量迅速增加.     

被动式引射器内流场数值研究

采用二维轴对称雷诺平均方程和Spalart-Allmaras湍流模型。研究了被动式引射器稳定工作时其内流场结构及高空试验舱压强的变化。空间上采用二阶迎风格式进行耦合求解。时间上采用显式Runge-Kutta方法进行迭代推进,直至流场收敛。结果表明,引射马赫数越大。要求的启动总压越高,为了降低启动压比,可以适当缩小混合室收缩比,增加第二喉道长径比。引射马赫数与引射总压对引射器内流场结构和高空试验舱真空度影响极大,发动机出口燃气参数对高空试验舱真空度有一定的影响．但其作用十分有限。     

超声速环型引射器启动特性试验研究

建立了超声速环型引射器空气引射试验台,对高工况下环型引射器启动特性进行了试验研究。试验结果表明,环型引射器启动压强明显高于运行压强;试验发现,引射马赫数越高,混合室收缩比越大,引射器启动压强越高。     

一种超音速环形引射器冷流缩比试验方法

在超音速引射器的设计中,为开展引射机理及启动特性等研究,需进行模拟试验;同时,通过试验可验证数值计算结果的正确性与合理性,从而优化设计.文中提出以冷空气作为引射和被引射介质,采用缩比试验模型,通过模拟喷嘴生成被引射气流,简化了试验设备.数值计算结果与试验结果符合较好,正确预测了引射管道出口处出现的正激波,真空舱压强满足...     

高空模拟试车台等截面式环型蒸汽引射器零二次流流场数值模拟

采用大型计算流体动力学软件FLUENT对等截面混合超声速环型蒸汽引射器零二次流的流场结构及盲腔压强的变化进行了数值模拟,得出引射器盲腔压强的变化规律。结果表明,在引射器几何参数不变的情况,启动后的喷嘴出口压强与引射气流总压之比及盲腔压强与引射气流总压之比基本保持不变;启动的总压越低,盲腔压强越低。     

低密度高亚声速引射风洞设计及性能研究

研究以火星表面大气条件和火星飞行器飞行速度为基础,设计一个低密度高亚声速引射风洞,并运用ANSYS FLUENT 15.0对多喷嘴引射风洞的性能进行了数值计算分析。首先对计算进行了网格无关性验证,在保证计算精度和减少时间与计算资源的基础上,通过研究发现:多喷嘴引射器作为风洞动力系统可满足试验段马赫数达到0.77的高亚声速马赫数要求,并且对试验段上下壁面采用各1°的扩张角可有效降低试验段边界层对压力的影响,从而使试验段静压基本维持不变;提高引射膨胀比是提高试验段雷诺数的一个有效措施,但是会降低引射系数,同时会增加试验段的静压梯度,影响试验段的气流品质。因此低密度引射风洞设计过程中必须综合考虑试验段扩张角,引射膨胀比等因素。     

二次喷管对引射火箭性能影响研究

利用引射火箭试验系统和固体火箭发动机燃气发生器，就不同结构的二次喷管对引射火箭的性能影响开展了试验和数值模拟研究。模拟计算和试验结果表明，二次喷管降低了发动机的引射系数，但改变了燃烧室的压强分布，使其推力特性得以改善。在文中所研究的引射燃烧室结构条件下，存在一个最佳二次喷管出口面积，它能使引射火箭的推力达到最大。     

基于流固耦合理论的关机水击特性

为了考虑结构变形对关机水击特性的影响,应用Workbench15.0构建双向流固耦合分析系统,模拟关机水击过程,通过压力和流线的分布图分析压力波传播和能量耗散。根据轨控发动机大流量、高室压、快响应的发展趋势,设计了8个工况来分析流量、压力、阀门关闭时间对水击特性的影响。仿真结果表明:在水击发生后,水击的能量只有小部分通过从入口流出和结构变形而耗散,大部分水击能量的耗散是由于流体的粘性损失。流量只对水击峰值压力有影响,且流量越大,水击峰值压力越大。阀门关闭时间的缩短增加了峰值压力和水击频率,减缓了衰减速率。管路背压对水击特性几乎没有影响。因此,在进行轨控发动机高室压水击试验时,在保证流量和关阀时间相同的情况下,减小出口背压,可以得出与高背压一致的水击压力变化曲线。     

入口压力对汽蚀管流阻系数测量的影响

汽蚀管流阻系数测量值是液体火箭发动机性能计算和调整的直接依据。针对液流试验中某些汽蚀管入口压力无法加压至额定值的问题,建立了流阻系数分析模型,研究了汽蚀管入口压力对流阻系数测量的影响,得出了流阻系数随入口压力变化的关系式及入口压力对流阻系数影响的修正公式,并对测量流阻系数的五级压力试验方法进行了评估。结果表明:入口压力增大,喉部等效流通面积减小,流阻系数增大;流阻系数随入口压力倒数的减小近似线性增大;额定入口压力两侧对称压力下的流阻系数偏差不同,压力减小引起的流阻系数偏差大于压力增大引起的偏差;五级流量法测定的流阻系数偏小,选取五级入口压力应尽量靠近额定入口压力或不对称选取;当试验入口压力均低于额定入口压力时,采用修正方法修正流阻系数测量值,可有效减小其偏差。     

氨解离度对无水肼ATR发动机性能影响研究

基于无水肼ATR发动机,开展了氨解离度对涡轮前燃气及发动机总体性能的影响研究,对不同氨解离度时无水肼ATR发动机性能进行计算对比。结果显示,随着氨解离度x升高,无水肼分解燃气温度降低,H_2、N_2在分解混合气中的质量百分比升高,燃气比热比、气体常数数值升高;在地面状态同一转速下,x越小,发动机比冲越高。在100%物理转速时,x=0.29对应的发动机比冲最高且为808 s,无水肼流量为0.999 kg/s,较x=0.8发动机比冲提高最大约7.3%,无水肼流量减小约7.33%;同一高空条件100%转速下,x越小,发动机比冲越高。在22 km/3.5Ma条件下,x=0.29较x=0.8发动机比冲提高最大约14.6%,无水肼流量减小约8.2%。在同一ATR发动机、同一转速下,氨解离度越低,涡轮等熵功越大,无水肼流量越小,发动机比冲越高。     

碳纤维增强聚四氟乙烯材料微观结构

为了研究碳纤维增强聚四氟乙烯材料的最佳加工工艺,采用扫描电镜对碳纤维增强聚四氟乙烯材料的微观结构形貌进行了观察,并对碳纤维增强聚四氟乙烯材料的结晶形态和成型后毛坯的内部微观缺陷进行了对比研究和分析。研究表明:碳纤维增强聚四氟乙烯毛坯表面存在"球状结晶",无缺陷的毛坯内部不会产生"球状结晶";碳纤维增强聚四氟乙烯毛坯内部的气孔、分层缺陷在冷压过程中形成。减少碳纤维增强聚四氟乙烯粉料的团聚,能有效减少成型后毛坯内部气孔缺陷的产生;碳纤维增强聚四氟乙烯材料冷压时适当降低压制压力,能有效减少分层缺陷的产生。     

铌铪合金表面硅化物涂层的高温失效行为分析

铌铪合金为轨姿控液体火箭发动机推力室身部主要结构材料,在高温有氧的工作环境中易发生氧化粉化,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层。通过分析铌铪合金表面硅化物涂层的高温氧化、高温热震、瞬时高温烧蚀和热试车行为,阐述高温条件下的氧化失效行为。试验结果为:涂层1 800℃以下氧化条件下,表面形成致密的二氧化硅氧化膜,使得涂层的氧化寿命大于2 h;1 800℃以上的超高温氧化条件下,高温热冲击作用,涂层内部形成大量的烧蚀型网格结构,表面未形成二氧化硅氧化膜,氧化寿命小于10 s;热试车考核中,涂层满足推力室外壁面温度1 350℃以下的使用工况,抗氧化能力较好,随着氧化温度升高,涂层高温抗氧化能力迅速衰减。     

某固体火箭发动机药柱温度场有限元分析

为探索环境温度变化条件下固体火箭发动机药柱温度场的一种简单而有效的技术途径,利用有限元传热分析法,对某固体火箭发动机在温度循环条件下的燃烧室药柱温度场进行了研究。针对不同的药柱结构分别建立了二维和三维传热模型,通过对比计算值与试验测试值可知,与三维模型相比,二维传热计算方法可提高药柱温度场的计算效率,且计算结果与试验测试值吻合度较高,可满足试验预测要求。因此在工程分析中,为快速得到有效的分析结果,可采用二维传热模型分析发动机药柱温度场,其中二维无翼槽模型适于模拟药柱远离翼槽部位的温度场,二维有翼槽模型适于模拟药柱翼槽部位的温度场。     

煤基与石油基航天煤油掺混理化性能

研究煤基航天煤油和石油基航天煤油不同比例掺混的理化性质变化规律。将煤基航天煤油按照0～100%的比例与石油基航天煤油掺混得到9个样品,对混合样品分别测定其密度、馏程、运动粘度、结晶点、闪点、实际胶质等核心指标,并研究掺混比例和指标点的关系,在此基础上探讨混合油品对GJB 8087—2013《液体火箭发动机用煤油安全应用准则》的适用性。结果表明,两种煤油可任意掺混,各种理化性能均满足使用要求,掺混后的煤油无激励源时不发生化学变化,且呈互溶状态,可长时间放置。两种煤油中链烷烃、环烷烃、芳烃均属于弱极性物质,根据相似相溶原理,相互溶解性好,以任意比例掺混后,长时间放置也不会存在分层等现象。研究结果可为液氧煤油发动机试车及靶场加注时两种煤油能否掺混提供依据,对降低用户油品替换成本具有参考价值。     

预冷空气类动力系统发展历程浅析

预冷空气类动力系统是当前高超声速领域研究的热点,是未来两级入轨可重复运载器的一级和临近空间高超声速投放平台的理想动力方案。通过查找国内外公开文献,回顾了预冷空气类动力系统的发展历程,介绍了各个阶段的典型方案与研究成果,分析了各个方案演变过程和可能原因,重点比较了引入氦作为中间介质的预冷空气类发动机循环方案的差异。分析表明:各种方案改进的最主要目的是提升空气预冷效率,降低冷却消耗的燃料,提升发动机的综合性能;当前国内外的相关研究工作已经由最初液化循环转变为深冷循环,再到以SABRE4为代表的适度冷却方案;在保持系统性能最大化的前提下,结合当前技术水平,增加系统可行性,加快从方案论证向部件集成及试验验证转变的步伐。     

某型膨胀循环发动机高空模拟试验方案研究

某型膨胀循环发动机在研制初期基于环境压力可能对膨胀循环发动机起动加速性有较大影响的考虑,采用了全程主动引射高空模拟试验方案,试验结果显示环境压力对发动机起动加速性的影响较小。发动机室压和喷管面积比是影响引射方式的主要参数,该型膨胀循环发动机与采用被动引射的某型燃气发生器循环发动机参数相当,这为该型膨胀循环发动机采用被动引射提供了可能,并对膨胀循环发动机采用被动引射高空模拟试验方案的可行性进行仿真研究。     

高空模拟试车台主被动引射方案数值研究

采用二维轴对称雷诺平均方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对一大面积比火箭发动机高空模拟试车台在不同引射方案下发动机启动至稳定运行过程中不同室压下的流场结构进行了数值模拟.空间上采用二阶迎风格式进行耦合求解,时间上采用显式Runge-Kutta方法进行迭代推进.结果表明,采用启动段主动引射、主级段被动引射的...