固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室

固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室,是我国惟一的固体火箭推进领域的国家级重点实验室,由航天科技集团公司第四研究院第四十一所和西北工业大学联合建设。自1995年建成以来,已具备了国内一流的研究条件,成为我国开展先进固体推进技术自主创新研究、人才培养、学术交流与合作、科学实验的开放式研究平台。     

观察宇宙现象

很久以前,我们的祖先是通过肉眼观察遥远星星的方位变化来认知宇宙,世界上最早用科学和数学解释自然的是古希腊人,他们曾用星体的映射关系,测量出地球的尺寸是如此惊人地准确。     

变燃速发射药燃烧性能计算及实验研究

为研究管状变燃速发射药的能量释放规律,根据其结构特点建立燃烧模型,采用理论计算方法分析管状变燃速发射药外内层燃速比及长径比对其燃烧性能的影响规律;采用挤压成型工艺制备了不同硝基胍含量的管状变燃速发射药,并进行密闭爆发器实验。结果表明,模拟计算中管状发射药的外内层燃速比K=0.2,长径比n=8. 0时,发射药相对燃烧表面较为理想,燃烧渐增性相对较强,添加NQ变燃速发射药密闭爆发器实验结果与模拟计算结果有较高契合度。     

多孔介质微燃烧器内的火焰驻定机理研究

为解释毫米尺度多孔介质燃烧器中火焰可在一个当量比范围内驻定的物理现象,搭建了二维非稳态数学物理模型,利用数值计算方法定性研究了氢气/空气预混气在部分填充不锈钢网的微通道内的火焰传播特性。通过分析浸没火焰及表面火焰的温度分布特点并量化燃烧室内的预热和散热发现：火焰驻定在多孔介质内的不同位置时对应的传热特性存在差异,是控制火焰传播速度在一定当量比范围内保持恒定的关键因素,而预热及散热的相对大小可作为衡量传热对火焰宏观影响的重要参数。对火焰的的总预热与总散热之比R越临近多孔介质入口边界变化越剧烈,导致浸没火焰易驻定在多孔介质的中上游区域;多孔介质对火焰的预热虽在多孔介质出口边界外减小,但与多孔介质散热之比Rp呈上升趋势,使得低流速工况下易形成表面火焰。同时,R随当量比的变化规律导致多孔介质下游火焰的稳定性相对较弱。     

船用大功率柴油机瞬态工况油气响应及燃烧特性研究

针对船用大功率柴油机瞬态性能提升的需求,本文开展了某增压中冷船用大功率柴油机瞬态工况动态响应及燃烧特性研究。研究表明涡轮增压器惯性导致的进气滞后是柴油机瞬态工况下性能恶化的主要原因;突加载工况下,进气量响应滞后供油量响应4-5个工作循环,且进气量响应速度随初始负荷增加而增加,IMEP等燃烧特征参数加载过程中响应速度较快,波动较小;缸内燃烧过程恶化,CA50、CA90较同负荷下稳态工况值均推迟。     

3D打印骨架增强石蜡燃料燃烧机理实验研究

针对固-液混合火箭发动机中石蜡基固体燃料机械性能差的问题,使用3D打印聚合物骨架镶嵌石蜡的方法增强了石蜡基燃料的结构强度,分析了骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注下的燃烧机理。通过对七种骨架材料进行SEM扫描、力学、热力学分析和纯氧条件下的燃烧试验,获得了不同骨架材料的微观表面结构、机械性能、热分解性能以及在纯氧环境下的燃烧性能;使用直/旋流固-气掺混燃烧试验系统,开展了螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料的燃烧试验,并与ABS固体燃料进行了对比。结果显示,在多种骨架材料中,ABS材料加工性能、机械性能及热分解性能良好;燃烧过程中,骨架增强石蜡燃料结构稳定性良好,石蜡液滴主要出现在石蜡-骨架交界处;旋流喷注和螺旋型骨架可促进石蜡液滴的夹带现象;在直流喷注工况中,骨架的凹槽结构增加了燃料与氧化剂的接触面积,尾部骨架结构具有稳焰作用,可促进后燃烧室的掺混燃烧;石蜡燃料和骨架燃速差异较大,发动机内弹道性能可能受此影响。     

基于释热率分析的钝体贫油熄火过程分析

针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程,采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法,研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况,定量分析熄火判据。结果表明:冷态速度模拟结果和实验的相对均方根误差在10%以内,热态误差在20%以内;释热率是否出现在OH和CH₂O重叠的区域,是判断熄火的一个重要参数;远离熄火时,释热率高的区域主要沿内侧剪切层出现;近熄火工况下,释热率在流向轴上闭合,回流区下游也出现较大的释热率;熄火点工况下,较大释热率的区域在回流区下游和上游均有出现;模拟预测的熄火情况和实验PLIF结果一致;平均释热率可作为判断熄火的定量依据,即当钝体后方0.2d处内侧剪切层平均释热率与回流区平均释热率的比值小于4时,发生熄火。      

过渡型凹腔超声速燃烧流动振荡抑制方法

针对长深比为10.0的过渡型凹腔在隔离段入口马赫数为3.0条件下存在的冷流自激振荡现象,提出了一种凹腔内增加肋条抑制振荡的方案。通过试验和数值计算,对该方案抑制振荡的效果进行了检验,并分析了肋条增加前后燃烧室流场结构和燃烧性能的差别。研究发现：通过在凹腔内增加肋条能够消除过渡型凹腔冷流工况下存在的175.8 Hz的自激振荡,燃烧流场也更加稳定;增加肋条后凹腔的稳焰能力有所降低,部分在凹腔未完全燃烧的煤油进入扩张段后继续发生反应,从而使燃烧区向下游延伸、增大,发动机的燃烧效率和净推力分别降低5.4%和8.9%,但推力更加平稳;燃烧室一维平均热流密度峰值由2.9 MW/m²降低至1.8 MW/m²,燃烧室的热环境大幅改善。     

气体自发光在高超声速流场显示中的应用

提出了利用高焓气体自发光作为高超声速流场显示的方法,介绍了在使用高焓运行的激波风洞中,对二维模型的高超声速绕流流场使用此种方法的初步结果,可观察到二维棱形柱的尾流和马赫波的相交。结果表明此种方法不需外加光源,对于结构限制无法设置透明部件的模型,无疑是简单可行的。     

燃烧室头部激励的等离子体强化燃烧特性实验研究

等离子体助燃是一种新型的强化燃烧技术,近年来受到国内外学者的广泛关注。本文开创性地研制了基于旋转滑动弧等离子体的强化燃烧头部,建立了某型航空发动机三头部燃烧室实验件的等离子体助燃实验平台,验证了该等离子体强化燃烧技术应用于型号发动机燃烧室的可行性。实验研究等离子体助燃在不同余气系数和不同输入电压条件下对平均出口温度、燃烧效率、温度分布系数以及熄火边界的影响。实验结果表明,与正常燃烧相比,施加等离子体助燃后的燃烧效率有明显的提高,在输入电压为U0=240V,余气系数为 α=0.8时,等离子体助燃的燃烧效率提高3.24%。实施等离子体助燃后,燃烧室出口温度分布场分布得到明显的改善,在富油工况α=0.8,出口温度分布系数减少39.8%。等离子体助燃输入电压越高熄火边界扩展程度越明显,相比于正常工况条件下,等离子体助燃U0=240V的熄火边界扩宽了7.34%。