聚乙烯在固体燃料冲压发动机中的燃速影响因素研究

针对影响聚乙烯（PE）在固体燃料冲压发动机燃烧室中的燃速因素,采用数值仿真与直连式实验相结合的方法,研究了空气质量通量和固体燃料内径对PE燃料平均燃速和当地燃速的影响,分析了无量纲回流区长度与突扩台阶高度的关系。研究表明,PE燃料平均燃速与空气质量通量呈幂函数递增关系,与固体燃料内径呈幂函数递减关系;点火过程的影响以及湍流燃烧模型对突扩台阶后回流区内传热的计算精度是引起回流区内计算结果与实验结果误差较大的重要原因;无量纲回流区长度与突扩台阶高度呈线性递增函数关系。研究结果对固体燃料冲压发动机燃烧室的设计具有一定的参考价值。     

固体燃料冲压发动机燃速预示模型及其特性

为准确预示固体燃料冲压发动机的燃速,建立了固体燃料冲压发动机燃速预示模型,编写了预示程序。对以PE、PMAA为燃料的固体燃料冲压发动机进行了34次计算,计算结果表明:在所涉及的工况范围内,燃速随来流空气总温、质量流率以及药柱通道直径、入口直径的变化规律与已有实验结论相同;计算误差的最大值为14.4%,平均值为5.87%;该模型能够准确预示固体燃料冲压发动机中燃速;工作过程中,装药内腔体积随时间呈线性变化;给定的工况下,燃速正比于装药长度的-0.21次方。     

固体燃料冲压发动机燃烧室燃烧特性数值模拟

采用12组分、17个化学反应的模型和二阶矩湍流燃烧模型,通过计算药柱表面热传导率,得到了燃面退移速率,对固体燃料冲压发动机燃烧室内部的燃烧流动进行了数值模拟,分析了空气流量、空气总温和入口直径对燃烧室温度分布、C4H6分布和燃面退移速率的影响.分析表明,减小空气入口直径、增加空气流量和总温都会使燃面退移速率增加.     

侧边突扩固体燃料冲压发动机燃烧室试验研究

固体燃料冲压发动机(SFRJ)日益简单,它具有达到液体燃料冲压发动机性能水平的潜力。特别是在体积受到限制的情况下,侧边突扩SFRJ改善了推进剂/燃料的装填性能,因此,其性能又比传统的同轴突扩燃烧室高得多。更早的研究指出,空气温度较低时(230～280℃,典型的低速飞行状态)某些结构燃烧室的装药燃速不均匀。可以肯定,沿着药柱装药燃速的不均匀是局部火焰稳定造成的。在NWC用一个直径10.2cm的缩尺试验件对单侧突扩燃烧室进行了试验研究,通过试验获得了不同药孔面积/进气管面积、药孔面积/尾喷管面积、头部长度和突扩角的燃烧室性能数据,同时将燃速的测量结果与同轴突扩燃烧室模型中预测的结果进行了比较。研究的结果表明,侧边突扩燃烧室的燃烧效率与具有旁流的同轴突扩燃烧室相近,低速飞行时在较大的燃烧室结构尺寸变化范围内火焰都能稳定。这篇论文讨论了单侧突扩SFRJ燃烧室的性能以及燃烧室结构尺寸变化对火焰稳定比和装药燃速的影响,此外,建立了分析火焰稳定性的方程。作者认为,侧边突扩燃烧室可以替代传统的同轴突扩燃烧室。     

固体燃烧冲压发动机在小口径弹药上的应用

总结了固体燃料冲压发动机的发展过程和现状,分析了其工作性能和应用于小口径弹药上需解决的关键技术,如突扩燃烧机理,燃烧流量及燃速特性,散布控制,燃烧效率,补燃室设计等,以及解决相关问题的可能途径和方法,最后给出固体燃料冲压发动机应用于小口径弹药时的总体结构布置。     

固体燃料冲压发动机在小口径弹药上的应用

总结了固体燃料冲压发动机的发展过程和现状,分析其工作性能和应用于小口径弹药上需解决的关键技术,如突扩燃烧机理、燃料流量及燃速特性、散布控制、燃烧效率、补燃室设计等,以及解决相关问题的可能途径和方法,最后给出固体燃料冲压发动机应用于小口径弹药时的总体结构布置     

固体燃料冲压发动机燃烧室内流场数值模拟

为研究突扩台阶高度、尺寸缩放及燃料长度对固体燃料冲压发动机燃面退移速率及火焰稳定性能的影响,以聚乙烯为燃料,对固体燃料冲压发动机燃烧室内流场进行了数值模拟研究。结果表明:随着突扩台阶高度的不断增大,燃料通道内的湍流动能逐渐增大,燃料的燃面退移速率、补燃室温度及压力逐渐增大;在保证空气质量通量及总温相同、几何相似的条件下,随着尺寸的不断减小,燃料壁面附近的温度梯度及有效导热系数不断增大,使燃料的燃面退移速率逐渐增大,富氧程度降低,补燃室压力增大,回流区内燃料汽化的吸热速率占该区域内化学反应的总放热速率的比例不断升高,发动机火焰稳定性能降低;在保证其他参数相同时,在增大燃料长度,同时不改变燃料通道内相同轴向位置处的流场温度、燃料燃面退移速率及组分分布的情况下,燃料长度越长,固体燃料的平均燃面退移速率越小,补燃室温度及压力越高。     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的数值仿真

基于一种固体燃料超燃冲压实验发动机的实验数据,使用数值模拟软件分别对超燃冲压发动机燃烧室的初始状态以及启动后的燃烧流动进行数值模拟。采用用户自定义函数方式给定PMMA燃料进口边界。数值模拟结果显示:燃烧室流场特性分布符合理论分析;燃烧室固体燃料壁面的燃料退移速率与实验数据有一定差异,但是整个燃面沿轴向的燃速分布规律与实验值近似;沿轴向的燃面附近的压力分布与实验结果较为吻合。研究结果表明:该数值计算模型较为合理,对固体燃料超燃冲压发动机的理论研究具有一定参考价值。     

固体燃料冲压发动机内流场数值模拟

基于二维轴对称雷诺平均Navier-Stokes方程,数值模拟了带化学反应的固体燃料冲压发动机内流场,数值格式为二阶迎风格式,湍流模型为k-ε模型,燃烧模型为涡耗散模型.分析了燃烧室内的流场结构、压力分布及化学组分分布.在化学计量比条件下,分别研究了空燃比与补燃室长度对发动机性能参数的影响.研究结果表明,随空燃比增大,发动机推力减小,比冲和燃烧效率随之提高;随着补燃室长度的增大,发动机推力、比冲和燃烧效率均提高.     

固体燃料冲压发动机的燃烧机理

叙述了固体燃料冲压发动机(SFRJ)的燃烧性能,特别是燃速与燃料性能有关的模型.为确定燃速控制步骤和仿真的重要机理,在观察包括燃料分解过程的不同现象(如化学反应和传热)的基础上进行分析.比较了4种聚合燃料试验数据与模型预测的数据,结果表明,在不同燃料中它们具有极好的定性一致,以及良好的燃速定量预测.这个模型对选择合理的燃料及发动机的初步设计和SFRJ最终样机静态点火试验前性能曲线的预定而言是有用的工具.     

聚甲基丙烯酸甲酯在固体燃料冲压发动机中的燃面退移速率影响因素研究

采用数值计算与实验研究相结合的方法,对聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）在固体燃料冲压发动机中的燃速影响因素开展了研究。重点分析了来流空气质量通量和固体燃料装药内径对PMMA燃料平均燃速和局部燃速的影响。研究表明：固体燃料表面的温度、热流密度和局部燃面退移速率沿轴线方向均呈现先逐渐增大后逐渐减小的趋势,极值出现在回流区末端的再附着点附近;固体燃料表面的局部燃面退移速率随装药内径增大而减小,但随空气质量通量的增大而增大;燃料平均燃速与来流空气质量通量呈幂函数递增关系,与固体燃料装药内径呈幂函数递减关系;数值计算和实验得到的影响变化规律吻合较好,但计算值比实验值稍微偏高,最大误差不超过10%. 研究结果对固体燃料冲压发动机燃烧室的优化设计具有重要的参考价值。     

入口气流参数对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响分析

为了研究固体燃料超燃冲压发动机燃烧室入口气流参数对发动机性能的影响,将固体燃料燃面退移速率模型耦合到准一维流动方程中,提出了一种燃烧室的准一维设计和性能分析方法。利用该方法,在飞行条件一定的前提下,改变燃烧室入口气流参数总压、总温、马赫数,得出了各工况下的燃烧室初始型面尺寸并分析了其性能。研究结果表明：在设计飞行条件下,提高燃烧室入口气流的总压和总温均能提高燃烧室的性能,但总温对燃烧室性能的影响更大;燃烧室入口较低的马赫数可以减小燃烧室的加热损失,提高燃烧室的性能;在入口气流质量流量和台阶面积比一定的条件下,提高总温和总压、减小马赫数,能提高燃面推移速率,减小燃烧室的长度。     

固体燃料冲压发动机高速旋转对进气道稳定工作范围的影响

为了研究高速旋转对固体燃料冲压发动机进气道稳定工作范围的影响，利用计算流体力学软件对所设计的进气道在马赫数为3.0的设计状态进行了数值模拟，获得了进气道在不旋转、转速分别为10 kr／min和30 kr/min的稳定工作范围、流场结构和总体性能。结果表明：转速越高进气道稳定工作范围越窄，但变化较小，对进气道的流场特征和各性能参数的影响较小；高速旋转时进气道的总压恢复系数、出口马赫数比未旋转时略高，流量系数和总压畸变指数基本没有变化。     

ZS1100M柴油机双ω型燃烧系统的试验研究

为了改善柴油机喷雾空间分布,提高缸内空气利用率,加强燃烧室内的气流运动,提出了带双ω燃烧室的燃烧系统,并在ZS1100M型柴油机上进行了初步性能试验。研究结果表明：双ω燃烧室的几何形状对柴油机燃烧系统的油耗与排放性能有较大的影响。在额定工况下,57型燃烧室方案的油耗与碳烟排放最低;65型燃烧室方案的NO_x排放与原机相比基本不变,油耗却降低了2.2%,碳烟排放降低了8.3%. 在额定转速下,65型燃烧室的油嘴突出高度在2.6 mm时油耗与碳烟排放性能最优。在转速1 500 r/min下,采用双排喷孔的各方案在中小负荷时油耗均比采用单排喷孔的原机方案要低;适当增加上排喷孔数,减小双ω燃烧室的喉口直径能进一步降低油耗。     

冲压增程制导炮弹气动特性研究

为研究冲压增程制导炮弹在不同弹道阶段的气动特性,依据其工作原理与飞行特点,设计冲压助推、爬升飞行、滑翔控制状态所对应的3种气动外形。运用拼接网格技术与雷诺转捩模型,对冲压增程制导炮弹的三维流场与气动特性进行模拟和数值计算。结果表明：3种气动外形与相同外形参数（除舵翼与头部母线外）但不采用冲压结构形式的鸭式布局制导炮弹（参考弹）相比,升阻力系数规律一致;冲压助推、滑翔控制、爬升飞行外形在相同条件下对应的阻力系数依次递减,分别较参考弹阻力系数增大约50.5%、42.9%、33%;滑翔控制外形因鸭舵展开,相同条件下升力系数较其他两种外形大,又因进气道限制了鸭舵面积,相同条件下升力系数较参考弹小（约小11.9%）;弹体摆动减小了冲压发动机进气道的流量系数和总压恢复系数,对其总体性能产生了不利影响。     

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。     

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。