旋流式掺混结构对补燃室二次燃烧性能的影响

文中设计了两种新型旋流式固冲发动机补燃室掺混结构,对该掺混结构作用下补燃室掺混燃烧流场进行了数值研究.分析了旋流式掺混结构对补燃室中掺混燃烧的影响,并与两种基准补燃室掺混结构的计算结果进行了对比分析.结果表明:旋流式掺混结构能够强化补燃室中的掺混燃烧效果,大幅提升固冲发动机补燃室的特征速度,且补燃室总压恢复系数满足设计需求,但补燃室内的旋流流动在一定程度上会削弱冲压喷管的做功能力.     

二元空气进口结构参数对固冲补燃室掺混燃烧性能的影响

采用试验设计方法,基于双侧水平二元空气进气布局固冲发动机,针对固冲补燃室空气进口长宽比和空气进气面积这两种因素对固冲补燃室掺混燃烧性能的影响进行仿真分析。结果表明:空气进口长宽比和进气面积对补燃室掺混燃烧性能的影响较大,且在特定水平下两因素对补燃室掺混燃烧性能的影响存在交互作用;随着空气进口长宽比的增大,补燃室温升效率呈先基本恒定、然后减小、再增大的趋势,而补燃室总压恢复系数均呈减小的趋势;当空气进口长宽比大于1.000时,空气进气面积较小时补燃室温升效率相对较高;相同空气进口长宽比时,空气进气面积较小时的补燃室总压恢复系数均相对较高。     

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。     

小型涡轮发动机红外隐身技术

对红外隐身技术在小型涡轮发动机上的可行性进行了分析,适合小型涡轮发动机红外隐身技术有:采用涡扇发动机、异型喷管、壁面冷却技术等。对小型涡轮发动机红外隐身设计需要突破的低损失高效掺混技术、壁面冷却设计技术、红外隐身效能评估等技术进行了论述,以实现集气动、红外、结构一体化隐身喷管设计。最后对小型涡轮发动机红外隐身技术发展趋势进行了阐述。     

特型燃气喷口对补燃室掺混燃烧的影响

采用N-S方程、k-ε双方程和非预混燃烧简化PDF模型,对3种特型燃气喷口结构的固冲发动机补燃室掺混燃烧流场进行了数值研究。分析3种特型燃气喷口对补燃室中掺混燃烧的影响,并与常规型燃气喷口的仿真结果进行了对比分析。结果表明:特型燃气喷口可以有效增强补燃室中燃气与空气的掺混效果,提高燃气的完全燃烧程度,提升固冲发动机补燃室的特征速度;2#和3#特型喷口的补燃室掺混燃烧效果要比1#特型喷口更好,但是会带来更大的总压损失。     

高温燃气射流对固冲发动机二次燃烧效率影响研究

为进一步提高固冲发动机的二次燃烧效率,文中提出了在固冲发动机补燃室头部引入高温燃气射流增强掺混燃烧的技术思路,并开展了仿真和验证试验工作。仿真分析表明：当在补燃室头部引入高温燃气射流时,能够提高补燃室头部流场的温度,使得燃料更易于燃烧,从而提高了固冲发动机的二次燃烧效率;试验结果也验证了在固冲发动机头部引入高温燃气射流,能够使固冲发动机的二次燃烧效率由81.3％提高到88.7％。     

射流推力矢量喷管粒子沉积特性数值模拟

运用粒子轨道模型对基于激波控制的三维轴对称收缩扩张喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,研究了1～100μm不同直径粒子的沉积特性。计算结果表明:主流中粒子的沉积部位主要集中在喷管的收敛段和喉部附近,粒子直径越大,沉积区域越大,大沉积率越高;二次流中的大尺寸粒子会对扩张段壁面造成烧蚀。射流推力矢量喷管的热防护设计应充分考虑到二次流中粒子对壁面的烧蚀。     

斜切喷管火箭发动机燃气射流流场特性研究

为了研究斜切喷管发动机的燃气射流流场特性,采用有限体积法数值求解非定常可压缩N-S方程,对不同喷管角度、不同海拔高度以及不同燃气温度条件下的发动机斜切喷管燃气射流流场特性进行数值模拟研究。结果表明:由于斜切喷管不对称外伸壁面的存在,导致喷管燃气射流流场不再对称; 喷管壁面不对称程度越大,则喷管燃气射流偏转与扩张角度越大; 随着海拔高度的增加,燃气流场核心区域与燃气射流的影响范围、以及射流偏转角度不断增大,但射流核心区域的波节数将不断减小; 此外,燃气温度变化,对喷管流场压强分布影响较小,但对流场速度值影响较大; 燃气温度越高,则喷管出口排气速度越大,致使喷管射流流场的燃气动能越大。     

固体火箭发动机特型喷管造型设计与优化

采用双三次样条方法建立了某型固体火箭发动机特型喷管扩张段型面;考虑燃气流动和温度的耦合影响,采用二维轴对称可压缩N-S方程进行数值仿真分析。以发动机推力和总压恢复系数最大为优化目标,模拟退火算法寻优进行了特型喷管的优化设计,与初始设计方案相比,轴向推力提高2.38%,总压恢复系数提高2.22%。结果表明:特型喷管性能远优于锥形喷管,通过对型面的优化设计可以提高喷管性能。     

水下冲压发动机喷管内两相流动

研究了水下发动机喷管内的气液两相泡状流,基于一维定常假设,运用双流体模型建立了数学模型。模型中考虑了气泡的动力以及气液间的热交换作用。分析了气体温度、喷管壁面摩擦力和初始空隙率对流动的影响,可为水下冲压发动机的研究提供一定的参考。     

带有钝体的弹用固体燃料冲压发动机工作性能

为发展一种弹用高性能冲压发动机,提出了在补燃室带有钝体的发动机设计方案,并数值计算对比分析了补燃室有无钝体方案下的内流场、燃烧效率、推力、比冲与总压损失。结果表明：钝体后部孔隙外侧有两个漩涡,孔隙内的高速气流与下部漩涡在一定程度维持了尾迹的稳定性,能够保证冲压发动机工作的平稳性;与参考固体燃料冲压发动机（不带钝体结构方案）相比,在补燃室中增加钝体能提高补燃室下游燃料与空气的掺混效果与温度,当进气质量流率为0.3 kg/s时,可使发动机推力和比冲提高约16.21%、燃烧效率提高约20.50%,但此增益效果会随着空燃比的增大而减小;当燃烧效率相同时,在补燃室中增设钝体,可以有效地缩减冲压发动机长度,为其他部件提供安装空间。     

基于Annubar流量计测试固冲发动机进气流量

介绍了一种适用于高温、高压,拥有大量程比的差压式气体质量流量计——Annubar流量计,并成功地将其应用于固冲直连试验系统中。试验证明:Annubar流量计很好地解决了固冲发动机进气的高温、高压、大流量测量问题,比传统的流量计拥有更大的量程比和更小的不可恢复压力损失,可准确地测量出高温来流的质量流量。     

应用TVD格式研究冲压增程弹丸进气道复杂流场

基于固体火箭冲压发动机增程弹丸超音速进气道,应用二阶隐式TVD格式对进气道内流场进行了数值模拟,得到了不同出口反压条件下,超音速进气道流场复杂的波系结构,分析了出口反压对进气道启动性能的影响．结果表明,出口反压显著影响着进气道性能,反压过高或过低都将导致进气道不启动,为冲压增程弹丸超音速进气道结构设计提供了理论依据．     

固体燃料冲压增程炮弹用混压式进气道数值模拟及实验研究

利用三维雷诺平均Navier-Stokes方程,在不同攻角和来流马赫数条件下,对带侧向支柱的某固体燃料冲压弹用混压式进气道的内外复杂流场进行了数值模拟,并完成了风洞实验,得到了不同状态下进气道的纹影图片、沿程静压分布及进气道出口总压变化规律。结果表明:数值模拟所得流场结构与风洞实验纹影图一致;随着攻角的增大,流入进气道的空气流量减少,总压恢复系数降低,出口马赫数基本保持不变;在亚临界状态下,总压恢复系数受攻角的影响显著增大,其值甚至比临界状态时还要低;此外,在同一来流马赫数下,总压恢复系数随进气道出口反压的增大而增大。     

结构尺寸对固体燃料冲压发动机燃速影响的仿真研究

为研究结构尺寸对固体燃料冲压发动机燃速的影响规律,采用3阶单调迎风（MUSCL）重构方法,AUSMPW+通量分裂格式,k-w SST湍流模型,7组分3反应有限速率化学反应模型以及2阶矩湍流燃烧模型,编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序,研究入口直径、药柱直径、喷喉直径以及相似结构尺寸对燃速的影响规律。仿真结果表明：入口直径以及药柱直径影响较大,相似结构尺寸的影响相对较小,喷喉直径几乎没有影响;固体燃料冲压发动机结构尺寸影响燃速的主要机理是湍流黏性的变化以及火焰面位置的变化;突扩比对燃速起着关键的作用,燃速与突扩比近似呈线性关系。     

含侧向支柱冲压增程弹用进气道复杂流场数值模拟

采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术,对含侧向支柱冲压增程弹丸进气道内外复杂流场进行了数值模拟。通过数值模拟得到了对应于不同来流马赫数和攻角情况下,临界工况时,超声速进气道内外粘性流场复杂的波系结构。当进气道扩压段有侧向支柱存在时,进气道总压恢复系数和动能系数均有所降低,而流场畸变指数则显著增大。由于攻角的存在,进气道总压恢复系数和动能系数均有所降低,而流场畸变指数则明显增大。     

固体燃料冲压发动机结构对性能的影响

在固体燃料冲压发动机 (SFRJ)性能分析基础上 ,通过数值模拟 ,研究了入口台阶相对高度、燃烧室和补燃室长度比对发动机推力、比冲的影响 .这种影响在不同飞行高度和速度下是一致的 .并分析了产生这些影响的原因 ,提出了相应的设计意见 .该研究将是导弹 -固体燃料冲压发动机一体化设计的基础     

类X-51A飞行器巡航状态气动与燃烧流场特性分析

以类X-51A 高超声速飞行器为研究对象,重构了其机体外形及内部超燃冲压发动机的一体化模型,并通过数值方法研究了该目标巡航状态下的气动与燃烧耦合流场特性。数值分析结果表明:类X-51A 飞行器高压区主要集中在机体头部、进气道压缩段、进气道入口侧壁及尾翼前缘,且内部燃烧室的总体压力显著高于机体表面的;燃烧室内靠近两侧壁面的喷孔燃料喷注深度高于中间喷孔的,下游喷孔喷注深度高于上游喷孔的,凹腔附近喷孔喷注深度高于无稳焰结构的壁面喷孔的;燃烧产物羽流长度超过50 m,且持续向机体上方发生偏移。计算结果可为类X-51A 及相关飞行器红外探测与目标识别等技术提供流场数据参考。     

固体火箭冲压发动机工作包线分析

根据固体火箭冲压发动机工作原理和三维数值仿真与试验结果,建立了较为符合实际的进气道、燃气发生器和补燃室工作数学模型,并对进气道和固体火箭冲压发动机的工作包线进行了分析,提出了进一步拓宽固体火箭冲压发动机工作包线的措施,得出对燃气流量进行调节,是扩大固体火箭冲压发动机工作包线的一种可行的方法。     

超声速轴对称进气道流场的数值模拟

利用有限体积法求解二维轴对称可压缩N-S方程，对超声速弹用进气道内外复杂流场进行了数值模拟，数值格式为二阶迎风格式，所得流场结构清晰。研究结果表明：随着来流马赫数的增加，总压恢复系数随之下降，稳定工作范围增大，同时流量系数逐渐增大，在激波贴口后流量系数基本保持不变；在同一来流马赫数的超临界状态下，随着进气道出口反压的提高，结尾正激波向喉道方向移动，结尾激波损失减小，总压恢复系数提高，进气道出口马赫数减小，出口流场畸变程度降低。