气体取样分析在脉冲燃烧风洞试验中的应用

针对脉冲燃烧风洞试验条件及超燃冲压发动机燃烧室出口流场环境,设计了用于脉冲燃烧风洞流场氧气组分浓度校核及发动机燃烧室出口气流组分分析的探针取样-气相色谱分析测量系统,并在此基础上完成了对取样探针内部流场特性及燃气化学反应冻结情况分析.分析结果表明,进入探针的气流被有效冷却,能够实现化学反应冻结.利用风洞试验气流进行了系统校核,系统控制方面能够满足脉冲风洞试验测量要求,所得到的气流中氧气含量测量值与理论值吻合较好,偏差小于5%,甚至低至0.4%.利用该系统对马赫数2.6来流条件、直连式燃烧室模型燃烧工况下,出口不同位置处燃气中O2、N2和CO2等主要气体组分进行了直接测量,并进而估算了各测点处的表观燃烧效率,获得了其变化情况,所得到的结果在一定程度上反映了燃烧室中燃料的分布情况.     

Radical recombination in a hydrocarbon-fueled scramjet nozzle

To reveal the radical recombination process in the scramjet nozzle flow and study the effects of various factors of the recombination, weighted essentially non-oscillatory(WENO)schemes are applied to solve the decoupled two-dimensional Euler equations with chemical reactions to simulate the hydrocarbon-fueled scramjet nozzle flow. The accuracy of the numerical method is verified with the measurements obtained by a shock tunnel experiment. The overall model length is nearly 0.5 m, with inlet static temperatures ranging from 2000 K to 3000 K, inlet static pressures ranging from 75 k Pa to 175 k Pa, and inlet Mach numbers of 2.0 ± 0.4 are involved.The fraction Damkohler number is defined as functions of static temperature and pressure to analyze the radical recombination progresses. Preliminary results indicate that the energy releasing process depends on different chemical reaction processes and species group contributions. In hydrocarbon-fueled scramjet nozzle flow, reactions with H have the greatest contribution during the chemical equilibrium shift. The contrast and analysis of the simulation results show that the radical recombination processes influenced by inflow conditions and nozzle scales are consistent with Damkohler numbers and potential dissociation energy release. The increase of inlet static temperature improves both of them, thus making the chemical non-equilibrium effects on the nozzle performance more significant. While the increase of inlet static pressure improves the former one and reduces the latter, it exerts little influence on the chemical non-equilibrium effects.     

H_2O/CO_2污染对煤油燃料双模态超声速燃烧室影响研究

在以电阻加热直连式试验系统为基础的污染对比试验平台上,通过纯净空气来流和H2O/CO2污染空气来流严格对比试验,研究了H2O/CO2污染对煤油燃料双模态超声速燃烧室点火、火焰稳定及稳定燃烧性能等的影响。研究发现,(1)H2O污染对煤油燃料超声速燃烧室点火具有一定的抑制作用,当H2O污染含量达到11%以上时不能实现可靠点火。(2)污染组分的存在会降低燃烧室的火焰稳定性,CO2污染对火焰稳定性的影响比相同含量H2O污染显著。(3)对于燃烧室无反应流动,纯净空气来流和污染空气来流时燃烧室壁面压力在一定范围内基本重合,仅局部存在微小差异。(4)污染组分的存在对煤油燃料超声速燃烧具有抑制作用,燃烧室壁面压力低于纯净空气试验,压力下降程度随污染水平升高而增大,最高达12%,CO2污染对煤油燃料超声速燃烧的抑制作用比相同含量H2O污染显著。(5)污染组分的存在会导致燃烧室模态转换点发生变化,在较高的污染水平下,燃烧室的工作模态将会从相同油气比纯净空气来流下的亚燃模态转换为超燃模态。     

当量比对燃烧模态的影响机理分析

为了深入分析当量比对燃烧模态的影响机理,通过试验和计算研究了不同当量比条件下超燃冲压发动机燃烧室流场,给出了释热速率的计算方法。结果表明,数值模拟结果具有一定的可靠性,并基于数值模拟结果,提出了模态形成过程中释热和流动速度的反馈平衡机理。给出了三种燃烧模态及其特征,超燃模态,燃烧释热为分布式,燃烧室流动速度为超声速,隔离段无分离;亚燃模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动为亚声速,隔离段存在大分离以及强激波串;混合模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动同时存在亚声速和超声速,隔离段存在大分离以及强激波串。提出了高当量比条件下实现超声速燃烧的方法,即在扩张段注油,避免集中式释热。     

《推进技术》简介

<正>《推进技术》期刊(Journal of Propulsion Technology)创刊于1980年,由中国航天科工集团公司主管、中国航天科工集团三十一研究所主办,现为月刊,面向国内外读者、作者,在国内外公开发行,已成为推进领域中具有重要学术影响力的学术期刊。《推进技术》期刊的办刊宗旨为:通过刊登国内和国际高水平的学术、技术论义,促进航空、航天和航海推进科学技术领域高水平的学术交流,推动航空、航天和航海推进科学技术事业的快速发展。     

旋流与炭黑对聚乙烯固体燃料冲压发动机工作性能的影响

为探究旋流与添加炭黑对聚乙烯推进剂固体燃料冲压发动机工作性能的影响,采用实验和数值仿真相结合的方法进行研究。结果表明:在聚乙烯中加入质量分数为5%的炭黑可以提高补燃室压强和温度,增大燃烧室内高温区面积,且对推进剂燃烧效率、发动机工作性能以及发动机燃烧稳定性具有积极作用。与聚乙烯推进剂相比,含炭黑推进剂在无旋工况下可使发动机平均燃面退移速率提高15%,特征速度提高4%,推力提高11%。在旋流工况下,添加炭黑可使推进剂平均燃面退移速率提高29%,特征速度提高8.5%,发动机推力提高22.3%。结果表明:在添加炭黑和旋流的共同作用下,对发动机工作性能提升更加明显。相比于无旋工况而言,旋流的引入有助于燃气与来流空气的掺混,提高推进剂燃烧效率,对推进剂燃面退移速率提升具有积极作用。     

固体火箭冲压发动机流量可调燃气发生器控制算法

固体火箭冲压发动机流量调节系统具有很强的时变性和非线性,在调节的初期存在流量负调现象,且推进剂不完全燃烧产生的颗粒容易附着于喉道,这些因素都将对调节性能产生消极影响。为处理上述问题,设计线性自抗扰控制器(LADRC)。仿真试验表明,所设计的LADRC对比于比例-积分-微分控制器(PID)具有更好的响应速度、精度、流量负调抑制能力以及抗干扰能力,在低压力和高压力两种工况下的响应时间均不超过1.5 s,超调量在1.5%以内;流量负调减小了3~4倍;对干扰的反应时间在0.4 s左右,干扰的偏离值仅为0.25 MPa,显著提高了燃气发生器的工作性能。     

碳黑对固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性影响

为研究含碳黑推进剂对固体燃料冲压发动机(SFRJ)旋流燃烧特性的影响,以高密度聚乙烯和含碳黑聚乙烯为推进剂,使用直连式实验系统对冲压发动机进行了旋流和无旋工况的实验研究。并根据实验所获的数据进一步计算得到不同工况下SFRJ工作性能参数。结果表明与聚乙烯(PE)固体燃料相比,含5%碳黑的聚乙烯推进剂可以有效提高固体燃料的燃速、特征速度和推力。在旋流工况下,固体燃料冲压发动机补燃室压强和温度也相应提高,燃烧稳定性增强。同时,在对燃烧室构型进行实验研究时发现,固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性和燃烧效率会随药柱内径的增大而提高,而发动机平均燃速则会随着药柱内径的增加而降低。     

准直流放电等离子体对超燃燃烧室中碳氢燃料燃烧的影响研究

为研究低燃空比条件下,准直流放电等离子对超燃燃烧室中乙烯燃烧流场的影响,在凹腔上游以及底部前壁面处布置电极产生等离子体,通过数值模拟方法,分析了不同等离子体激励强度下,燃烧室凹腔后缘附近压力分布、燃烧室总压损失、乙烯燃烧效率和燃烧室中水的分布情况。研究结果表明:准直流放电等离子体激励强度越高,对凹腔后缘附近压力场稳定能力越强。等离子体的存在,使得燃烧室出口总压损失微弱增加,损失最大值增加1.9%。燃烧室中乙烯燃烧效率平均提高1.77倍,随着激励强度的提高,燃烧效率呈现先增高后降低的趋势。等离子体改善了燃烧室中水的分布,凹腔内部产物分布范围更广、燃烧更加充分。     

冲压发动机进气道楔形前缘体热应力分析

为研究拉压不同模量(以下简称双模量)冲压发动机进气道前缘体的热应力状态,在Ansys基础上,利用二次开发,得到了可分析具有双模量属性材料应力的模块。以ZrB2-SiC为材料的发动机前缘构件的ZrB2部分为研究对象,以来流马赫数6.0,总温1660K,总压2.85MPa为条件,经流场及热传导计算得到前缘体内部不均匀温度场。实验测得ZrB2材料在不同温度下的拉、压模量,其压缩模量为拉伸模量的两倍,将拉、压弹性模量以及计算的温度场导入到所开发的模块中进行热应力分析,得到此前缘体ZrB2部分的热应力分布状态。将此结果与不考虑双模量情况下进行流-固-热耦合分析得到的热应力分布曲线进行对比。结果表明,不考虑ZrB2材料的双模量属性的结果最大误差高达300%,严重超出了工程上的要求精度。对比结果说明了不同模量理论的重要性,同时证明了所开发的不同模量应力分析模块的工程实用价值。