面向旋转爆轰燃烧室的涡轮气动性能数值研究

为研究旋转爆轰燃烧室出口流场对涡轮气动性能的影响,基于指数函数的非线性特征简化了燃烧室出口的流场分布,采用求解三维SST k-ω湍流模型的方法对涡轮全流场开展数值计算。讨论了不同来流脉动特性对叶栅瞬态流场的作用机制,分析了涡轮叶片对燃烧室出口压力振荡峰值的抑制作用,并在此基础上探究了不同工况下涡轮流动特性的变化。计算结果表明：脉动来流使涡轮瞬时流场呈现复杂的周期性变化;单级轴流式涡轮使得压力振荡峰值最高降低73.49%,其中静子叶栅对双波模态下压力峰值的抑制效果最优,最多可降低49.9%,转子叶栅对压力峰值的二次抑制具有补偿效应,压力峰值平均减小46.95%;涡轮虽然会增强来流的总压脉动特性,但本身具有一定自适应能力,此外总压脉动与流动均匀性有较为密切的关系。     

冲击载荷下CMDB推进剂断裂性能实验研究

高过载冲击载荷下,固体推进剂出现断裂行为是影响箭弹发动机装药结构完整性的重要原因之一。采用霍普金森实验技术(SHPB),对CMDB推进剂进行了冲击断裂实验。运用实验-仿真的方法,将实验数据直接输入仿真模型中,验证了实验条件下试件满足动态平衡前提假设,获得了推进剂的I型动态起裂韧性;利用扫描电镜设备(SEM),对推进剂断面形貌进行了观察和讨论。结果表明,CMDB推进剂动态起裂韧性在60 000~100 000 MPa·m1/2/s加载率范围内表现出明显的线性率敏感特性,并在加载率达到100 000 MPa·m1/2/s后出现极值3.96 MPa·m1/2;CMDB推进剂在高过载条件下表现出明显的脆性起裂特性以及动态起裂韧性存在率敏感性,直接与应力波对基体和AP颗粒损伤程度相关。     

侧向喷流对超声速流动中支杆减阻降热特性影响的研究

为研究超声速流动中支杆侧向喷流的减阻降热特性,基于有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,采用3阶MUSCL重构方法,AUSMPW+通量分裂格式,k-ωSST湍流模型并耦合求解固相热传导方程,编制了计算程序并利用相关实验验证了数值方法的可靠性。在此基础上,研究了侧向喷流总压和位置对超声速流动中支杆减阻降热特性的影响,得到了壁面St数、壁面压力及气动阻力的变化规律并考察了壁面热流随时间的动态变化过程。研究结果表明:当侧向喷流位置一定时,侧向喷流总压的增大将进一步提高减阻降热性能;当侧向喷流总压不变时,随着侧向喷流位置向钝体壁面靠近,减阻降热性能明显变差,尤其当侧向喷流总压较大时,阻力增长幅度接近50%。当侧向喷流位置离开支杆底部时,气动阻力对侧向喷流总压的变化较为敏感;随着时间的推进,壁面热流密度呈现下降趋势,在2s内壁面热流密度最大降幅达到49.5%,但热流密度沿壁面分布规律未发生变化。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。     

高总温空气与汽油燃料的旋转爆震验证试验

为验证高总温空气来流条件下汽油燃料旋转爆震的可行性,开展了气液两相旋转爆震发动机试验研究。旋转爆震发动机环形燃烧室外径和内径分别为202mm和166mm,长度为155mm。通过空气加热器模拟高总温空气来流环境,汽油和空气采用分开喷注的方式,分别通过高压喷嘴和环缝进入燃烧室。试验采用垂直安装的预爆震管成功起爆了旋转爆震波,并实现了旋转爆震波的连续稳定传播。试验结果表明：当空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.97,空气总温为713K时,旋转爆震波以双波对撞模态在燃烧室内连续传播,爆震波传播频率为1827.31Hz,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频一致,爆震波传播速度为1059.6m/s。在空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.84,空气总温为713K的工况下进行了3s的长程试验,验证了以高总温空气为氧化剂、汽油为燃料的旋转爆震发动机长时间连续稳定工作的可行性,获得的旋转爆震波传播频率为1907.5Hz。     

三元乙丙橡胶防热材料传热试验方法与温度数值计算

三元乙丙橡胶(EPDM)由于具有导热系数低的特点,在测量其背面温度时会产生比较大的测量误差.为减少测量误差,在热电偶测温端与被测表面之间增加具有高热导率的金属片作为集热片,对加与不加集热片、集热片选取不同材料(铜片和铝片),以及同厚度不同直径与同直径不同厚度分别进行了试验研究和瞬态传热数值计算,分析了集热片材料与尺寸对温度测量准确性及动态响应的影响.计算结果与试验结果吻合较好,表明铝片比铜片响应稍快,但强度没有铜片高,从而选用铜片;直径大与厚度小的铜片比直径小与厚度大的铜片响应快.     

旋转爆轰燃烧室与涡轮导向器集成特性数值研究

为了研究叶栅稠度对旋转爆轰燃烧室-涡轮导向器流场分布和工作特性的影响,以便进一步优化旋转爆轰燃烧室与涡轮导向器的相关设计,基于SST k-ω黏性湍流模型求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes控制方程,并结合间歇因子转捩模型,爆轰燃烧机理采用正癸烷-空气单步反应,通过在初始流场施加高温高压区诱发爆轰波,分别对具有6种不同叶栅稠度导向器和不具备导向器的旋转爆轰燃烧室开展数值计算,对瞬态流场演变和波系结构进行了讨论分析,评估了不同叶栅稠度下导向器的工作特性。研究结果表明：导向器上下游均形成了动态的耙式激波包络面,其结构和强度受叶栅稠度影响,爆轰流场特性保证了叶栅通道自起动能力。导向器抑制了上游压力峰值,峰值衰减率最高可达60.87%。爆轰燃烧的总压增益得到提高,导向器出口增压比最高为1.24,出口增压比频率与叶栅稠度大小呈正相关,最高可达143.33 kHz。叶栅通道对爆轰产物具有一定流动调节能力,时均落后角最小为1.84°,出口时均马赫数最高为1.38,此外出口气流角均匀性显著提高。研究结果揭示了导向器对提高连续旋转爆轰涡轮发动机性能的潜在价值,对该种发动机的设计优化以及工程化应用提供了一定指导。     

非正交界面下的插值耦合传热方法

针对复杂热防护结构,开发了一种求解非正交性流/固界面的耦合传热程序。流体和固体区域采用同一积分、守恒型的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stock)方程,通过有限体积法进行离散求解。为了保证非正交界面上的温度和热流密度连续,提出了一种结合网格周边信息计算界面热流密度的插值方法。利用该插值耦合方法模拟了双层复合平板和喷管的热传导。数值结果表明:该插值方法在空间上具有2阶精度;喷管壁面上的对流换热系数沿轴向先增大后减小,在喉部上游达到最大值,当喷管入口压力增加3.38倍时,对流换热系数的最大值相应增加了3.13倍;喉衬与壳体界面上温度的计算值和试验结果存在一定差异,这是由于本文数值计算未考虑接触热阻引起的。     

NEPE推进剂燃烧过程及铝团聚特性

为了研究NEPE推进剂的燃烧过程以及铝颗粒团聚特性,通过高速相机与长焦显微镜头结合的光学拍摄方法记录推进剂的燃烧过程,使用红外热像仪记录燃烧过程中的燃烧波火焰温度,同时收集推进剂的燃烧产物,最后使用扫描电子显微镜（SEM）和激光粒度仪对燃烧产物进行了分析。结果表明,在推进剂燃烧的5个阶段:起始点火、火焰扩散、稳定燃烧、火焰衰减、火焰熄灭中均存在铝团聚物的飞溅现象。在0.5～2.0 MPa下,随着环境压强的增大,高温燃烧区域逐渐增大,燃面处铝团聚物的数量增多,但铝团聚物的粒径逐渐减小。推进剂的燃烧产物主要分为铝团聚物和氧化颗粒两类,铝团聚物粒径在50～600 μm之间,氧化铝颗粒的粒径通常不超过1 μm。