基于水平集函数的固体火箭发动机瞬态内流场模拟方法研究

针对固体火箭发动机装药燃面退移下的瞬态内流场模拟方法进行研究,采用水平集方法捕获发动机工作过程中的装药燃面,多孔介质模型约束装药区域的流动特性,建立了一种可以准确模拟发动机内流场瞬态流动的水平集和多孔介质耦合方法（LSPM）。采用该方法对有壁面退移的圆管通道流动问题进行了计算,对短内燃管形装药和复杂翼柱形装药发动机进行了模拟。研究结果表明：LSPM计算结果与动网格方法吻合较好,可以较好地处理有界面退移的加质流动问题;LSPM压力和燃面的计算结果与零维内弹道结果基本一致,可以准确计算装药燃面退移下的发动机瞬态内流场。     

基于三维模型空间离散的固体发动机装药燃面计算方法

装药燃面计算是固体发动机优化设计过程中的重要环节,通用、高效、准确的燃面计算方法有利于提高固体发动机设计效率和设计精度。针对传统Level-set燃面计算方法药型定义复杂、精度不高等缺点,结合SolidWorks三维实体建模和多线程并行计算技术,通过最小符号距离方法对三维装药进行精确离散化表达,实现快速、准确实现复杂三维装药燃面推移计算。计算结果与CAD实体造型法结果一致。与传统方法相比,该方法无需通过代码定义药柱构型和迭代计算,可直接用于不同固体发动机药柱设计。     

UG二次开发实现药柱燃面退移自动化

文中提出了一种三维药柱燃面退移计算近似算法,并用UG软件的二次开发功能执行此算法,达到了快速准确的获得药柱肉厚-燃面曲线的目的。UG二次开发通过MFC和UGAPI函数交叉使用实现,MFC制作对话框界面,UGAPI函数执行燃面退移算法。最后以某型号发动机装药为例,运用此方法和传统方法对比,验证了该方法的正确性和高效性。     

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。     

星型装药固体火箭发动机工作过程仿真研究

基于FLUENT软件的UDF二次开发模块,完成了星型装药燃面点火和燃面退移的建模,研究了星型装药固体火箭发动机点火和燃面退移过程,结果表明:星型装药固体火箭发动机工作时,装药头部与尾部存在一定的压强差;相比于星根区域,星角区域的点火过程进行的更加缓慢;采用商用FLUENT软件可以实现简单的星型装药燃面退移过程模拟。     

PMMA在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的实验研究

为研究聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)在固体燃料冲压发动机（SFRJ）中的燃烧特性,开展了不同装药通道直径、补燃室压强、来流空气质量流率等工况下的SFRJ直连式实验研究。成功获得了不同工况下压强、温度的变化规律、燃面平均退移速率、局部燃面退移速率。实验结果表明：装药通道直径增大,燃面平均退移速率降低,但补燃室压强和温度随之增大;在低压（＜0.8 MPa）条件下,补燃室压强越低,燃面平均退移速率、补燃室温度均随之降低,但影响是有限的。同时,当装药通道直径较小(Dp<=30 mm)时,首次发现了SFRJ的侵蚀效应现象。     

AP/HTPB推进剂内孔形状对烤燃特性的影响

为了获得固体火箭发动机的推进剂内孔形状对烤燃特性的影响,针对装填高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)的圆形孔、星孔装药的固体火箭发动机,在基于Arrhenius定律的基础上,分别建立了对应的固体火箭发动机二维、三维非稳态烤燃模型。对上述两种装药结构的固体火箭发动机烤燃过程进行了数值模拟,分析了以上两种内孔形状对推进剂烤燃特性的影响。结果表明：固体推进剂的内孔形状在不同热载荷条件下的烤燃响应特性不同。快速烤燃条件下,内孔形状对固体火箭发动机的烤燃响应特征参数影响较小;在慢速烤燃条件下,推进剂内孔形状对推进剂着火延迟时间影响有限,对着火温度和着火位置则有显著影响。采用圆形孔装药时发生烤燃响应的着火温度较高,而采用星形孔装药时则较低;圆形孔装药时着火位置在推进剂头部内孔壁面附近,且随升温速率增大着火位置逐渐向端面移动,而星形孔装药时着火位置则位于推进剂中部的内孔壁面附近,且随升温速率的增大着火位置会出现跳跃性变化。     

基于偏移面方法的界面推进及其应用

从广义惠更斯原理出发,构建基于偏移面方法的界面推进方法.该方法首先移动表面网格,通过求解每个网格点的法向位移和切向位移对每个点进行重构,在三维计算时由于不需要体网格,所以计算量小、效率高,并能解决含奇异点推进的真实复杂问题.利用该方法,对多种装药结构的固体火箭发动机三维燃面推进过程进行模拟,计算结果表明该方法具有较好的...     

基于Pro/E的含金属丝双推力药柱燃面计算方法

对于含有金属丝的双推力药柱,采用传统燃面计算方法不但工作量大,而且难于求解。利用Pro／E三维实体造型软件可以快速构造固体发动机装药．模拟药柱燃面推移过程。得到药柱燃烧的实时几何体,从而计算出不同时刻下药柱的几何参数和质量参数,为发动机内弹道性能精确预示提供可靠的原始数据。     

超声波实时测量技术在固体火箭发动机中的应用

利用超声波对固体推进剂燃速进行实时测量是先进的燃速测量方法之一。针对超声波技术在固体火箭发动机试车中的应用,对典型固体火箭发动机材料进行测试研究,获得了发动机材料的超声波信号特征。将超声波探头直接安装在发动机壳体外侧部位,测量了固体推进剂在常压燃烧时的厚度变化。针对动态燃速测试,提出了超声波数据处理方法,对固体装药在常压燃烧下的回波进行处理,获得了装药的厚度变化过程和燃速,并分析了燃面附近温度分布对燃速测量的影响。结果表明：用超声波测量金属壳体固体发动机的燃速必须在壳体上开窗使超声波透过壳体和绝热层界面,而对复合材料壳体发动机可将超声波探头直接安装在壳体外侧;燃烧引起的装药表面温度变化对测量的影响可以忽略;该数据处理方法可以有效获得装药厚度变化。     

纳米铝基金属燃料推进剂燃烧稳定性研究

针对高金属含量纳米铝基燃料推进剂在实验过程中出现的非均匀燃烧、爆燃甚至爆炸等问题,基于理论分析的方法,深入研究了纳米铝基金属燃料推进剂燃烧过程及燃烧机理,采用推进剂制备与燃烧实验及数值仿真计算的方法进一步验证颗粒尺寸、形貌对推进剂燃烧稳定性的显著影响。在保压时间45 min,最大荷重67 kN,最大压强213.6 MPa制备条件下,对两种不同产地型号的纳米铝粉原料进行燃烧实验对比,结果表明,不同产地颗粒,在尺寸规格、实验环境相同条件下,金属推进剂稳态燃烧时反映燃烧性能的Nusselt数、Sherwood数、蒸发速率、燃烧速率和燃烧时间、比燃速等参数差异明显,在纵横比为10时,扁椭球颗粒的最大燃速1.3×10^-13 kg/s,而长椭球颗粒燃速大约高达3.0×10^-13 kg/s,约为扁椭球颗粒燃速的2.3倍,甚至出现爆燃现象,颗粒粒径、形貌(椭球形颗粒)分布的均一性是影响推进剂爆燃的重要因素。该研究可为纳米铝基金属燃料推进剂优化设计提供参考。     

含硼富燃料推进剂配方初步优化

针对含硼富燃料推进剂热值高，燃烧性能差的特点，介绍了一种低成本的含硼富燃料推进剂可燃性的实验测定方法，利用该方法对含硼富燃料推进剂三个主要组分的不同配比进行了大范围的测试。给出了含硼富燃料推进剂的可燃区间，同时发现当氧化剂含量一定时，金属燃料和粘合剂体系之间存在一个燃烧性能最佳的配比。结合该推进剂的工艺特点，给出了其燃烧性能调节的范围。     

含氟功能助剂对发射药燃烧性能的影响

为提高发射药表面防盐湿、耐高温性能的同时调控其燃烧性能,采用TiO2纳米粒子与含氟单体反应合成了TiO2-含氟丙烯酸酯功能助剂。功能助剂和太根双基推进剂药片共混制备了发射药颗粒,对其进行了密闭爆发器实验。研究了含氟功能助剂的含量、含氟量及粒径对发射药定容燃烧性能的影响。结果表明:随着十二氟功能助剂含量的降低,发射药燃速呈增大趋势。十二氟功能助剂使发射药燃速提高0.1~0.3 cm·s-1,三氟功能助剂使发射药燃速降低0.4~1.0 cm·s-1。在本实验条件下,粒径对改善发射药燃速效果不明显。为更好地调控发射药起始燃烧速度,需要综合考虑含氟功能助剂链段中含氟量与TiO2含量二者比例以及发射药聚集体的物理形态。     

基于3D打印技术的发射药燃烧增面设计

为了研究提高发射药燃烧增面技术,根据3D打印技术可制造特殊形状物体的原理和发射药平行层燃烧定律,设计了具有多列环形空槽管形结构的高燃烧增面的整体发射药。分析了整体发射药燃面和燃气生成量及燃气生成速率随燃烧进行的变化规律。建立了整体发射药相对燃面和相对燃气生成量随燃烧进行的变化规律计算方法。对比分析了整体发射药与19孔粒状发射药的相对燃面和相对燃气生成量随相对燃烧层厚度变化的规律。结果表明,设计的整体发射药具有较高的燃烧增面,可用于155 mm火炮的整体发射药,燃烧结束时相对燃面比19孔粒状发射药的相对燃面大3.1倍。整体发射药在燃烧过程中,燃气生成速率呈现前低后高的状态,75.612%的燃气生成量在整体发射药燃烧的后半程产生,比19孔粒状发射药高27.575%。     

变燃速发射药膛内燃烧与内弹道过程研究

为了更好地描述与研究变燃速发射药膛内实际燃烧与内弹道过程,对30 mm火炮在两种装药量下应用内弹道势平衡理论求其势平衡点的位置及该点处的各参数。以坡膛处实测压力—时间曲线为标准求变燃速发射药膛内燃气的实际燃烧生成函数,用膛内实际燃气生成函数代替几何燃烧定律假设下的燃气生成函数,求解以势平衡态作为标准态的内弹道相似方程,并转化为弹道解。结果表明:应用内弹道势平衡理论描述和分析变燃速发射药膛内燃烧规律是可行的,拓展了其适用范围;通过对实际燃气生成函数的分析可以定性和定量地判断与研究变燃速发射药的燃烧性能;以变燃速发射药膛内实际燃气生成函数为基础求出弹道解具有准确性和可操作性。     

储氢合金/AP/HTPB推进剂的燃烧现象分析

利用单幅照相、微热电偶测温、扫描电镜（SEM）、俄歇电子能谱（EDS）以及X射线衍射（XRD）研究了Al/AP/HTPB推进剂（P-A0）、Al/储氢合金/AP/HTPB推进剂（P-A10）和储氢合金/AP/HTPB推进剂（P-A17）的火焰结构、燃烧表面温度、熄火表面形貌、熄火表面残留元素以及熄火表面残留化合物。结果表明,相对于P-A0,P-A10和P-A17燃面上方有更加猛烈的喷射现象;P-A10和P-A17的燃面温度分别提高了5.92℃和7.45℃,凝聚相反应区域分别扩大了13.13%和4730%;P-A17熄火表面相对平整,突起的合金团表面大部分被氧化;P-A10和P.A17熄火表面残碳量相对P-A0分别减少了15.81%和27.61%,说明储氢合金可以提高AP/HTPB推进剂有机组分在燃面处的燃烧效率;P-A0,P-A10和P-A17熄火表面Al含量依次减少,而Al2O3含量依次增多,说明储氢合金的燃烧效率高于Al。储氢合金替代Al作为燃烧剂,可以明显改善AP/HTPB推进剂的燃烧性能。     

用均匀设计和回归分析法研究燃烧催化剤的作用规律

为了考察了3种催化剂（铅盐、铜盐和炭黑）对固体推进剂燃速的影响，运用均匀设计方法和多元回归数学模型分析研究燃烧催化剂的作用规律。结果表明：在所选的范围内，铅盐和炭黑对推进剂燃速影响较大，铜盐起辅助作用，同时三者存在相互交互作用，并随着压力的变化而呈现不同的表现形式。通过均匀设计试验结果，获得了使固体推进剂燃烧性能较佳的催化剂铅盐、铜盐和炭黑组合。     

药型尺寸对变燃速发射药燃烧渐增性的影响

采用经典密闭爆发器的方法,研究变燃速发射药的药型尺寸与燃烧渐增性的关系。分析了不同配方、药型尺寸变燃速发射药的燃烧实验p-t曲线、L-B曲线特征,得出了配方、药型尺寸对变燃速发射药的燃烧性能影响规律。研究结果表明:在变燃速发射药内外层配方和层厚度确定时,长径比对燃烧渐增性的影响较为明显,发射药药粒长径比越大,燃烧渐增性越好;对双层结构的变燃速发射药,在一定长径比范围内(1.5/1~2.0/1)适当增加阻燃层中高分子含量有利于改善燃烧渐增性。     

碳纳米管(CNTs)对Al-CMDB推进剂燃烧性能及力学性能的影响

为了研究碳纳米管(CNTs)对含Al改性双基(Al?CMDB)推进剂燃烧性能和力学性能的影响,采用吸收?压延的方法制备了推进剂样品,用靶线法测试了推进剂的燃速,并计算了压强指数;测试了推进剂样品在高低常温时的拉伸强度及延伸率。通过扫描电镜、火焰照片、燃烧波、熄火表面形貌及元素分析和DSC分析了碳纳米管影响Al?CMDB推进剂燃烧性能的原因。结果表明,在Al?CMDB推进剂中加入0.7%碳纳米管在6～20 MPa可提高推进剂的燃速,其中6 MPa下燃速提高最多,为4.98 mm·s~(-1);6～20 MPa下压强指数从0.57降低为0.45。管径10～20 nm的碳纳米管能提高Al?CMDB推进剂高低常温的拉伸强度及延伸率。碳纳米管对推进剂的热分解峰温影响不明显,但可使推进剂分解放热量增加。     

用脉冲X射线检测膛内射击现象

本文介绍利用脉冲X射线对膛内射击现象进行测试的方法,给出用脉冲X射线拍摄的膛内燃烧的火药及其流动情况的部分照片。对底火与中心传火管两种不同点火方式对药床运动的影响进行了比较,发现了在火炮发射过程中火药基本停留在药室内燃烧等重要现象,并分析了照片上所获得的火药燃烧时的膛内问题。