进气道结构对含硼固冲发动机二次燃烧性能影响分析

采用标准k-ε湍流模型,单步涡团耗散燃烧模型以及高速气流作用下KING硼粒子点火燃烧模型,开展了不同进气道结构下冲压发动机补燃室内含硼颗粒三维两相燃烧流动数值模拟;分析了在6种进气道结构对硼颗粒点火燃烧以及燃气燃烧效率的影响;研究结果表明：在相同的边界条件下,进气道结构形式对硼颗粒点火影响不大;燃气燃烧效率在双侧180°的进气结构下最高,双下侧90°进气结构的燃气燃烧效率最低;硼颗粒燃烧效率在双侧180°时燃烧效率最高,在中心进气结构下硼燃烧效率最低;补燃室内总燃烧效率在双侧180°进气道结构时最高,在中心进气结构下最低。     

含硼固冲补燃室燃烧组织技术进展

含硼固冲发动机是新一代超声速导弹的理想动力系统,但由于点火时间长、燃烧速率慢,硼的高热值不易获得。如何实现补燃室的高效燃烧一直是含硼固冲发动机研究热点。本文基于国内外的研究成果,论述了补燃室内单颗粒硼/碳点火燃烧过程与机理,影响规律及促进方法;评述了两相掺混燃烧过程数值模拟和试验的研究进展;总结了含硼固冲补燃室燃烧组织规律。对目前研究中存在的问题与不足进行了总结,对未来发展方向和研究重点进行了展望。     

固体火箭冲压发动机补燃室内硼颗粒点火计算研究

采用King硼颗粒点火模型,研究固体火箭冲压发动机补燃室内温度、压强、氧气摩尔浓度、硼颗粒初始半径对硼颗粒点火的影响。计算结果表明：当颗粒初始条件确定后,存在一个颗粒点火所需的最低环境温度;当氧气摩尔分数比较低时,增加环境总压,颗粒点火时问增加;当氧气摩尔分数比较高时,增加环境总压,颗粒点火时间反而减少;增大颗粒半径后,颗粒点火时间也增加;当环境温度升高时,颗粒点火时间显著减少。     

某两侧进气固冲发动机补燃室沉积研究

采用纯气相燃烧模型对某两侧进气固冲发动机补燃室内流场进行了数值模拟,根据流线图对补燃室内的沉积分布进行了预测,并与试验结果进行了对比。结果表明,该构型固冲发动机补燃室内的沉积主要集中在进气道对称平面的补燃室壁面及冲压喷管收敛段,补燃室头部也有部分沉积;补燃室内的沉积包括一次燃烧产物中未燃烧完全的凝相粒子和二次燃烧产物冷凝形成的凝相粒子;采用纯气相模拟可以对该构型的补燃室沉积分布情况进行定性预测。     

硼粉在冲压发动机补燃室中可燃性研究

在综述国内外有关硼粉点火和燃烧研究成果的基础上,分析了硼粉点烧的条件,归纳总结了改善硼粉燃烧的技术途径,并结合冲压发动机补燃室的特性,探讨了硼粉在补燃室中燃烧的可能性,提出了确保硼粉可燃的技术措施.试验表明采用的技术途径和手段有效,显著改善了硼粉的点火性能和燃烧效率,验证了理论分析结果.     

空气旋转进气对含硼固体冲压发动机二次燃烧性能影响的研究

采用Realizable k-ε湍流模型、单步涡团耗散燃烧模型,应用Fluent软件UDF功能,编写考虑硼颗粒在高速气流中气动剥离效应下的KING点火燃烧计算程序,对典型的双下侧90°含硼固体冲压发动机补燃室进行不同旋转进气下三维两相流动与燃烧数值计算。计算结果表明,当进气道两侧空气同向与反向旋转进入补燃室时,气流产生的旋转均使燃气与空气的混合更充分,燃烧效率更高,并且随着旋流数的增加而增加;对于颗粒燃烧效率与总的燃烧效率,当旋流数小于0.179时,同旋条件高于反旋条件,当旋流数大于0.385时,反旋条件高于同旋条件,当旋流数约为0.2时,同旋与反旋效果相当;对于硼颗粒点火时间,旋流进气减小了点火时间,在旋流数为0.385时最小。     

固冲发动机补燃室流场条件下硼燃烧试验研究

建立了一套固冲发动机地面模拟试验系统,用于研究补燃室流场条件下硼的燃烧,该试验系统用乙醇与氧气反应加热硼颗粒,并与空气二次燃烧的方式,模拟含硼固冲发动机的工作过程,其一次燃烧产物主要为H2、CO和硼颗粒,补燃室总温、静温值为1300~1400K,总压、静压值为0.4~0.5MPa,马赫数值为0.35左右,与真实固冲发动机相关参数值相符合。基于此试验系统,采集了燃气发生器、补燃室进气口、掺混区、燃烧区和喷管等位置的凝相燃烧产物。扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线能谱(EDS)分析结果表明,硼在反应过程中呈颗粒状,整体形貌变化不太明显,大部分的硼在补燃室中完成反应,燃烧区硼的反应量最大,靠近喷管区域次之,掺混区域最少。     

补燃室头部距离对固冲发动机二次燃烧的影响

补燃室头部距离是影响固体火箭冲压发动机二次燃烧效率的关键参数,采用数值模拟的方法研究分析了该参数对固体火箭冲压发动机二次燃烧效率的影响,数值结果与同等条件下实验结果的对比分析表明：补燃室头部距离的增大,可增大头部的漩涡区,从而使固相颗粒在补燃室头部的驻留时间得以延长,这对固相颗粒的点火燃烧十分有利,但对提高整个补燃室掺混燃烧效率的作用有限,因此补燃室长度一定的情况下,存在一个最佳的头部距离。     

空燃比对固冲发动机二次燃烧的影响研究

为有效的组织固体火箭冲压发动机的二次燃烧,采用标准二方程模型、EDM(eddy-dissipation-model)模型和粒子燃烧King模型,对二元双下侧进气式固体火箭冲压发动机补燃室三维两相流进行了数值模拟。得到了不同空燃比条件下补燃室内流场参数的分布规律并对其进行了初步分析。结果表明:在一定范围内空燃比的变化会引起补燃室各参数分布的变化,从而显著影响固冲发动机二次燃烧。     

两次进气对固体火箭冲压组合发动机燃烧和烧蚀环境的影响

为给固体火箭冲压组合发动机补燃室的进气道设计提供参考,研究了空气两次进气对补燃室燃烧效率和内壁烧蚀环境的影响。采用标准k-ε(k为湍流动能,ε为耗散率)模型、涡耗散模型和King硼颗粒点火模型,分别对空气一次进气和两次进气两种补燃室的多相流燃烧进行数值模拟,并进行对比分析。研究结果表明：两次进气可包覆混合燃气,并将其向内挤压,压缩高温区域,改变氧气分布,从而减小高温内壁面积,降低低温壁面温度,减少贴近壁面的凝聚相颗粒数量,从而减弱对壁面的热烧蚀、氧化和凝聚相颗粒侵蚀作用,同时,因造成的动能损失更大,减小了贴近内壁的气流速度,可减弱气流冲刷作用,二者共同作用,较大程度改善补燃室内壁的烧蚀环境;两次进气对补燃室的燃烧效率影响不大,一次进气和两次进气补燃室的总燃烧效率分别为80.68%和80.18%;综合燃烧效率和内壁烧蚀环境两方面,表明两次进气形式优于一次进气形式。     

硼颗粒点火和燃烧研究进展

综述了国内外硼颗粒点火和燃烧的研究状况;讨论了改善硼颗粒点火和燃烧行为的途径。指出硼表面的氧化物是造成硼点火困难和燃烧效率低的主要因素。在含硼推进剂中使用细粒么匠硼,对硼进行包覆并添加其它组分,可提高硼在推进剂中的利用效率。     

促进硼颗粒点火和燃烧的方法的研究进展

汇集、评述了促进硼颗粒点火和燃烧的方法,包括选择合适粒径的无定形硼、提高环境温度和压力、在环境气氛中添加些氟化物和水蒸气以及硼颗粒的包覆和添加剂的改性。解释了各种促进方法的机理。分析并提出了促进硼颗粒点火和燃烧中存在的问题及需要解决这些问题的技术途径。附参考文献19篇。     

碳对无定形硼颗粒的点火燃烧特性影响

碳是硼一次燃烧产物的主要成分,对硼的二次点火燃烧有重要的影响。采用热重差示量热扫描(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)和激光点火试验系统研究了不同配比的碳对无定形硼颗粒点火燃烧特性的影响。试验采用的硼、碳混合样品碳含量分别为0%、10%、20%、50%和100%,结果表明,碳的添加降低了样品加热过程中的增重量。碳含量对加热过程的影响是复杂的。当样品的碳含量不大于10%,样品的氧化反应推迟,放热量增加。当样品的碳含量进一步升高,又会使样品的氧化反应提前,放热量减少。在氧气气氛下,随碳含量的增加,样品的燃烧峰值强度减弱,燃烧时间从2436 ms增加到2909 ms,但碳对样品的点火时间的延迟较小,最多不超过3 ms。样品燃烧产物呈黑色块状固体,主要成分有氧化硼和单质碳等。对样品燃烧产物的分析表明,样品的点火燃烧反应并不充分。     

底火两相射流在传火管内传播过程的一维模型及数值模拟

底火射流在传火管内的传播过程是中心传火管及传火装药设计的主要依据。建立了底火药剂燃烧模型以及底火射流在传火管内传播的一维两相流模型,在使用四阶龙格-库塔法求解底火药剂的击发和燃烧过程的基础上,采用两步分量型CTVD格式对底火两相射流在传火管内的传播过程进行数值求解。得到了传火管内不同位置上射流的压力、两相速度以及空隙率等参量的变化规律。结果表明,底火射流在传火管内传播时,头部存在较强的压力波,气相速度大于固相速度; 当压力波在端面反射并作用在后续固相颗粒时,造成颗粒的加速燃烧; 当射流中的颗粒运动到右边界后,颗粒的堆积燃烧造成了反向的压力梯度,传火管内气相出现较大反向运动速度。     

助燃条件下硼粉燃烧热测试不确定度分析

为提高硼粉燃烧热值测试的准确性,确定助燃条件下影响硼粉燃烧热值测量不确定度的主要因素,依据硼粉的点火、燃烧特性以及助燃条件下硼粉热值测试原理,采用直接评定法分析了影响硼粉燃烧热值测试的不确定度,进行了硼粉的燃烧热值测试。计算了各因素对硼粉燃烧热测试值不确定度的影响程度。结果表明:影响硼粉燃烧热测试不确定度的主要因素是量热体系的温升、助燃剂的热值、参与燃烧的硼粉的质量,降低系统热容量的不确定度可提高硼粉燃烧热值测量的准确度。助燃条件下测试硼粉燃烧热值的相对不确定度仅为0.95%。     

高氯酸铵包覆层对硼粉燃烧性能的影响

为揭示高氯酸铵（AP）包覆层对硼燃烧性能的影响规律,采用溶剂蒸发法制备了AP包覆硼（AP/B）复合粒子。借助扫描电镜评估了AP/B复合粒子的包覆效果,利用CO₂激光点火装置研究了AP/B复合粒子点火燃烧特性,通过量热弹测试了DNTF基AP/B复合粒子炸药的爆热值。结果表明：严格控制溶剂蒸发法工艺参数可使AP均匀地析出在硼的表面上,并实现硼的较好包覆;AP包覆层可以改善硼的燃烧完全性,AP/B复合粒子相比于硼粉以及AP燃烧更为剧烈且光照强度瞬间增至最大值;AP/B复合粒子可明显提高炸药能量释放率,DNTF基AP/B复合粒子炸药爆热值（7 696 kJ/kg）较相同配方未包覆炸药爆热值（7 208 kJ/kg）提高6.5%以上。为揭示高氯酸铵（AP）包覆层对硼燃烧性能的影响规律,采用溶剂蒸发法制备了AP包覆硼（AP/B）复合粒子。借助扫描电镜评估了AP/B复合粒子的包覆效果,利用CO₂激光点火装置研究了AP/B复合粒子点火燃烧特性,通过量热弹测试了DNTF基AP/B复合粒子炸药的爆热值。结果表明：严格控制溶剂蒸发法工艺参数可使AP均匀地析出在硼的表面上,并实现硼的较好包覆;AP包覆层可以改善硼的燃烧完全性,AP/B复合粒子相比于硼粉以及AP燃烧更为剧烈且光照强度瞬间增至最大值;AP/B复合粒子可明显提高炸药能量释放率,DNTF基AP/B复合粒子炸药爆热值（7 696 kJ/kg）较相同配方未包覆炸药爆热值（7 208 kJ/kg）提高6.5%以上。     

排氢燃烧系统点火粒子两相流特性研究

排氢燃烧系统是新一代运载火箭发射的关键设备,氢氧发动机排放的低温氢气需要进行有效处理,否则会产生爆燃或爆轰,从而影响火箭发射的成败。排氢燃烧系统采用高温金属粒子点火方法,高温金属粒子的流动特性决定了排氢燃烧效果。为获得点火粒子的运动特性,采用颗粒轨道模型对点火粒子-高温燃气两相流动进行数值模拟,获得不同粒径颗粒的温度空间分布及其变化规律。