基于冷态数值模拟的航空发动机燃烧室贫油熄火预测

在经典均匀搅拌反应器理论(Perfect Stirred Reactor)的基础上,对Lefebvre贫熄模型中的燃烧体积和燃烧空气量进行改进,建立起燃烧室冷态流场与热态贫熄性能的对应关系,进而达到从冷态流场预测热态贫熄性能的目的。采用商业软件Fluent对燃烧室的冷态速度场和燃料浓度场进行数值模拟,通过燃料的可燃边界定义出理论的可燃区体积(Vf)和进入可燃区的回流空气量(mr)两项关键参数组成燃烧负荷参数Vf.mr,并通过油量迭代逼近(Fuel Iterative Approximation)的方法达到对燃烧室贫熄边界的预测。通过与实验结果的对比表明:燃烧室的冷态流场与其热态贫熄性能是相互关联的,燃烧负荷参数与熄火油气比近似成线性关系;采用油量迭代逼近的方法对燃烧室的贫熄边界进行预测,预测精度控制在±8.4%。     

Mg/Al合金对CMDB推进剂燃烧性能的影响

通过激光粒度仪分析了Mg/Al合金粉的粒径及粒度分布。利用TG-DSC热分析仪分析推进剂的热分解特性。用燃烧实验装置研究了推进剂的火焰结构,并对CMDB,Al-CMDB,Mg-CMDB和Mg/Al-CMDB推进剂四种火焰结构进行比较。用SEM和EDS研究了CMDB推进剂的熄火表面形貌和表面特征组成。结果表明:Mg/Al-CM-DB推进剂在DSC曲线上存在一放热峰660.3℃。Mg/Al合金粉改变了推进剂的燃烧状态,提高金属燃料Al粉的燃烧效率。     

基于壁面滑移修正的凝胶推进剂流变本构方程

为了调研壁面滑移现象对凝胶推进剂管道流动的影响,对凝胶推进剂及3种模拟液在直圆管中的流动进行了研究。对直圆管流动实验采集的流动数据进行壁面滑移修正,得到了壁面滑移速度公式。构建了考虑壁面滑移修正的幂律本构方程,计算出考虑滑移速度的沿程阻力系数和广义雷诺数及二者的关系。采用PIV实验并结合数值仿真,得到管道输送过程中的真实内流场速度分布以及壁面有滑移和无滑移的速度剖面图。研究表明:经过壁面滑移修正可见推进剂及模拟液幂律本构方程是唯一的;通过沿程阻力系数的计算和管道内流场PIV实验两方面验证了所用修正方法和所建流变本构方程的正确性和适用性。      

AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧模型及数值分析

为了研究AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧与流动特性,建立了二维三明治结构的稳态燃烧模型。该模型考虑了气相火焰热反馈与固相组分热传导之间的耦合,通过对气相求解完整的N-S方程组,获得了AP/HTPB的燃速与微尺度燃烧场各物理量的分布特性。结果表明,随着环境压力升高,燃烧火焰由预混结构逐渐发展为扩散结构;压力越高,火焰热释放及其对燃面的热反馈越强,燃面的温度与燃速越高,燃速的计算结果与实验结果吻合较好;AP/HTPB交界点附近气体组分发生强烈的扩散反应,侧向速度对燃烧与流动有显著影响。      

失重条件下低温推进剂排放计算

针对CZ-3A系列运载火箭三子级低温贮箱内剩余推进剂排放问题,分别对排放过程中液氢和液氧低温推进剂沿2种不同排放管的流动进行了一维数值计算和分析.计算中认为在排放时沿管路压强降低,从而引起液体推进剂气化,并在管路的某个位置出现气固两相或者全部气化,在计算中,根据不同位置时推进剂的不同状态,分别采用液相、气液两相、气固两相及气相的物理数学模型和控制方程.计算得出了排放的出口参数及排放性能,认为液氢从通道1排放比较好,液氧从通道2排放比较好.为进一步进行排放研究提供了依据.      

稀土改性高强铝微桁架激光增材制造工艺调控

微桁架夹芯板点阵轻量化结构在航空航天领域有重要应用,选区激光熔化（SLM）增材制造技术可克服传统工艺局限性,高质量一体化成形复杂点阵结构。以稀土Sc改性高强Al-Mg合金为对象,采用SLM工艺对其进行工艺优化试验,并基于优化结果对微桁架夹芯板开展一体化成形工艺调控研究。研究结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金表面质量、冶金缺陷等随激光参数发生显著变化,在激光功率400 W、扫描速度800 mm/s的条件下获得较高表面质量（粗糙度为13.2 μm）及致密度（相对密度为99.5%）。当扫描速度较低时试件熔池底部形成一次Al₃Sc析出相,而当扫描速度过高时因凝固速度过快析出相减少,导致试件显微硬度降低。在优化工艺区间内,随激光扫描速度增加SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夹芯板粘粉比例下降,构件质量随之减轻;水平方向构件尺寸精度、桁架微杆成形精度均随扫描速度增加而增加。     

原子氧及紫外线对O形圈泄漏率影响的研究

运用地面模拟设备对硅橡胶材料O形圈进行了原子氧暴露、紫外线辐射实验研究；利用测压法进行了O形圈在原子氧暴露及紫外线辐射前后的泄漏率比对实验，并对实验前后O形圈进行了扫描电镜分析。实验表明：原子氧和紫外线辐射对O形圈的表面状况及泄漏率均有明显影响。     

爆燃脉冲发动机内弹道模拟及实验分析

为了研究质量轻便、结构紧凑的固体冲量发动机,提出以微气孔球形推进剂作为能量材料,以对流爆燃形成高内压为模式的脉冲动力方案。通过分析不同推进剂密度、长度、点火药量和膜片形式等因素,得到了大喉燃比发动机中球形装药爆燃诱导条件;根据球形装药爆燃特性,通过数值模型研究了新型爆燃冲量发动机的内弹道与流场特性。结果表明：装药长度、装药密度和点火药量均对发动机中爆燃现象出现有明显影响,较长装药,较小装药密度和较大点火药量均利于诱发对流爆燃;微气孔球形药在发动机燃烧室内燃速与压力规律以分段的指数燃速形式出现;初步论证一体式爆燃脉冲发动机的实用潜力。     

单轴拉伸下HTPB推进剂细观损伤演化实验研究

为了研究HTPB固体推进剂在单轴拉伸载荷下的细观损伤机理,采用高精度微CT对拉伸过程中的HTPB推进剂进行了扫描实验,获取了不同拉伸应变下推进剂的细观损伤形貌以及孔隙率变化规律,分析了推进剂细观损伤对宏观力学性能的影响。结果表明：初始损伤的存在使得推进剂在受到载荷作用时AP颗粒就开始脱湿,AP颗粒脱湿形成的孔洞是推进剂细观损伤的主要形式。拉伸应变较小时,相对小尺寸AP颗粒而言,大尺寸AP颗粒附近的缺陷更容易发展成孔洞。随着拉伸应变的增大,绝大多数AP颗粒都开始脱湿,在推进剂宏观断裂前,大量AP颗粒脱湿形成的孔洞发生汇合,最终使推进剂断裂。加载过程中推进剂孔隙率随拉伸应变呈指数变化,初始孔隙率为1.8%,60%拉伸应变时孔隙率为19.1%。推进剂宏观力学性能处于线弹性段时,其内部细观损伤依旧在不断增加,当细观损伤累积到一定程度时推进剂的承载能力下降,宏观力学性能进入非线性段;由于AP颗粒仍具有一定的增强作用,且HTPB基体也具备承载能力,所以推进剂的应力随拉伸应变呈缓慢增加的趋势。     

考虑围压效应的NEPE推进剂药柱结构完整性分析

为研究围压效应对NEPE推进剂药柱结构完整性的影响,对包含围压效应的含损伤非线性粘弹性本构模型进行了增量推导,编制本构模型的UMAT子程序对NEPE药柱在点火增压载荷下的力学响应及结构完整性进行了分析。结果显示：围压效应对NEPE推进剂药柱力学响应的影响与损伤应变阈值有关,当药柱的应变响应低于0围压下NEPE推进剂的损伤应变阈值时,围压效应对药柱的力学响应的影响可忽略;当药柱的应变响应高于0围压下NEPE推进剂的损伤应变阈值时,药柱应力响应增大、应变响应降低。5.4MPa围压作用使药柱最大等效应力增加约26%,等效应变降低约12%。围压的压实作用能够大幅降低药柱的损伤程度,5.4MPa的围压作用可降低损伤系数约40%左右。考虑围压效应时采用双剪强度准则和Von Mises应力准则计算得到药柱安全系数分别为3.06和2.11,未考虑围压效应时采用传统的Von Mises应力准则计算得到药柱安全系数为1.97,围压效应可明显提高药柱安全系数,传统的发动机药柱结构完整性评估方法趋于保守。