过载条件下固体火箭发动机燃烧稳定性分析

为了研究过载对固体火箭发动机燃烧稳定性的影响,对Φ315发动机开展了数值计算和过载试验.通过对发动机进行三维两相流场模拟,分析了过载和无过载两种条件下发动机燃烧室内的流场和颗粒浓度分布特性;利用不稳定燃烧线性理论计算了两种条件下的增长系数,并根据线性稳定性判据评估了发动机的燃烧稳定性,与试验结果吻合.分析认为:过载引起的颗粒浓度分布变化是发生不稳定燃烧的关键因素.     

抗高过载装药结构爆轰点火内弹道两相流仿真

为了研究抗高过载装药结构下采用爆轰点火时火药颗粒的运动和燃烧情况,以及此种装药结构下的点传火特性,在试验研究的基础上,建立了抗高过载装药爆轰点火过程的轴对称二维两相流计算模型.通过编程计算求解了高装填密度下,点火过程中药床内各物性参数的变化情况,依据计算结果列出了部分典型时刻的压力分布图和固相空隙率分布图.通过对点火过...     

过载状态下固体火箭发动机内流场数值计算

考虑发动机燃烧产物的具体组分,采用随机颗粒轨道模型对某型固体火箭发动机处于不同过载状态时的多组分两相流流场进行了计算,分析了凝相粒子的运动情况及其对燃气流动的影响。结果表明,横向过载会对流场结构产生较大的影响,轴向过载的影响较小,但会改变粒子对绝热层冲蚀最大点位置和最大冲击速度;喷管的收敛段受粒子冲蚀最严重;过载不会对发动机推力矢量产生影响。     

高加速度过载下延期元件的失效机理研究

采用Hopkinson杆高过载试验技术和数值模拟方法对B/BaCrO4延期体在高过载环境下的延期性能和失效机理开展了研究.研究结果表明,延期体在冲击过载过程中承受多次加载和卸载过程,导致延期体变形和包括延期药柱层裂和延期药抛射在内的延期装药结构破坏,体现在随着过载加速度的增大,延期体燃烧速度增大,燃烧速度散布加大,延期精度降低.     

横向过载对固体火箭发动机推进剂点火建压过程的影响

大过载下固体火箭燃烧与流动状态的剧烈变化会导致内弹道出现异常,严重时可能会引起发动机点火失败。为研究横向过载时点火内弹道特性,建立囊括流场惯性过载效应、过载燃烧效应和侵蚀燃烧效应的点火模型。对不同横向过载下燃烧室压力和侵蚀与过载效应燃速增速占比进行计算,并给出了推进剂火焰传播速度与升压速率的关系。结果表明：正向过载下压力峰值增加,负向过载下压力峰值降低;正向过载下,推进剂前段主要由过载效应影响,后段主要由侵蚀效应影响;正向过载加剧下游侵蚀效应,而负向过载对推进剂的燃烧起削弱作用,但程度较弱、持续时间较短;火焰传播速度峰值时刻、推进剂表面首次全部点燃时刻和升压速率峰值点时刻几乎一致,工程上可以用实验中获得的升压速率分析推进剂表面燃烧状况。     

推进剂初始温度影响液体火箭发动机燃烧稳定性的数值模型

对自然推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）初始温度对火箭发动机燃烧稳定性的影响进行了研究,从推进剂初始温度对蒸发速率的影响规律出发,发展了初始温度大小影响蒸发速率的物理模型。燃烧流动过程应用圆柱坐标系下的两相湍流化学反应Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程来描述,控制方程是用限体积法在任意曲线坐标系下进行离散,计算采用ＴＭＭ方法生成的正交网格。完善了一种压力隐式算子分裂算法,使之应用到燃烧过程和不稳定燃烧中,提高了计算的精度和稳定性;以蒸发作为燃烧速率控制过程,由ＭＭＨ的分解蒸发速率来控制。用蒸发和分解的时滞来分析燃烧不稳定性。应用ＣＦＤ技术发展了评定燃烧稳定性的脉冲枪模型,之后对推进剂初始温度对燃烧稳定性的影响进行了数值研究,得到其对振荡的敏感分析,并给出燃烧稳定性的极限图,说明了该物理模型和算法的可靠性。     

制导弹药的过载零位误差校正算法研究

制导弹药发射时,高冲击影响下传感器零位会发生移位,从而引入过载零位误差,因此需要设计基于扰动模型的过载滤波算法。文中分析了弹道的长、短周期扰动,设计了适用于卫星制导弹药过载参数辨识的衰减记忆法扩展卡尔曼滤波算法,并且采用最小二乘算法滤除加表、弹道过载短周期扰动,从而实现了过载零位误差校正。文中通过仿真与实弹试验的方式验证了校正算法的正确性,发现校正算法具有精度高、运算速度快等优点,适宜于工程应用。     

横向过载条件下的推进剂燃速预示

采用推进剂燃烧的中心气流换热理论推导了一种加速度敏感性燃速模型,并且将燃速预示结果与过载试验燃速数据进行了对比。对比结果表明,该模型能够对横向过载条件下的燃速作出较为准确的预示。     

燃烧室整体旋转对液体推进剂燃烧的影响

针对燃烧室本身旋转和使用单组元液体推进剂的特点，对此两相湍流反应流在质量、动量和能量传输基础上，建立了旋转燃烧室中单组元液体推进剂雾化燃烧过程计算的模型和边界条件。模型计算采用ＳＩＭＰＬＥ算法和ＰＳＩＣ算法。计算结果提供了不同转速下的气相速度场和燃料浓度场。实验结果与计算结果一致。计算结果不仅反映了旋转对燃烧的明显影响，还说明本文的研究能用于预示和分析类似问题。     

储备式锂电池锤击激活的流固耦合仿真方法

针对储备式锂电池在使用前放电特性不具备可检测性,有可能导致放电失效的问题,提出了储备式锂电池锤击激活的流固耦合仿真方法。该方法将储备式锂电池的激活过程分为破瓶和进液两个过程,利用ANSYS/LS-DYNA中的流固耦合方法进行模拟,固体模型采用Lagrange算法,流体材料采用ALE算法,流固耦合方式采用ALE方法来处理相互作用。仿真与实测的对比验证表明,10 000 g过载下仿真值和实测值接近,6 000 g过载下二者差别较大,表明10 000 g及以上的激活过载有利于该模型所对应的储备式锂电池快速激活,6 000 g及以下的激活过载不利于该模型所对应的储备式锂电池快速激活。因此,可根据不同的电池模型进行不同的仿真计算,从而弥补储备式锂电池使用前放电特性不可检测的缺点,在一定程度上提高了储备式锂电池作用可靠性。     

火药颗粒床中的爆轰波结构

用两相连续混合理论研究了火药颗粒床中的两相稳态爆轰波特性。发现相间传热和压缩效应不是决定两相爆轰结构的重要机理，分析了两相稳态爆轰和均相ＺＮＤ理论的差别，讨论了一维两相稳态爆轰的存在条件，为高密实火药床避免爆轰的危险提供了重要信息。     

二维CE/SE方法在内弹道湍流两相流动中的应用

本文根据CE/SE方法思想,构造湍流二维两相流动的CElSE数值计算的格式。采用此格式对膛内二维湍流两相流动进行数值计算。计算结果表明：对中心点火方式,在点传火过程初期,膛内压力在径向与轴向上存在较大的压力梯度,当火药全部着火后,药室内径向压力逐渐趋于一致;在靠近点火管附近,传火孔喷射的高速燃气和固体火药颗粒相互影响,气相形成不同程度的旋涡,能提高火药颗粒点火的均匀程度;采用湍流两相流模型的数值计算结果反映实际规律,能更加细致真实地反映壁面附近物理量的变化。     

液体发射药迫击炮内弹道燃烧稳定性

为研究液体发射药迫击炮内弹道特性,搭建60 mm液体发射药迫击炮瞬态测试系统,对其燃烧室压力变化与迫击炮弹初速进行测试。在试验基础上,基于非定常欧拉-拉格朗日模型和液体发射药蒸发-燃烧模型建立带燃烧反应的液体发射药迫击炮两相流计算模型,对内弹道过程中的反应流场进行模拟,分析复杂气相流场与液体发射药喷射燃烧间的耦合关系及压力振荡形成机理。结果表明：60 mm液体发射药迫击炮燃烧稳定性好,具有工程化潜力;数值模拟与试验结果吻合度较高,且可以复现压力振荡现象,计算模型具有合理性;液体发射药的喷射与燃烧均受燃烧室内气涡的影响;反射波引发的液体发射药集中燃烧使压力表现为一种振荡发展。     

底排点火具射流特性对点火延迟时间的影响

为了研究底排点火具射流特性对底排药柱点火延迟的影响,基于一种两相流点火理论模型和一定的假设条件,针对某155 mm底排弹出膛口后的二次点火过程及点火射流特点,就底排点火具的两相射流点火过程进行了数值模拟.计算得到了点火软化和延迟时间,给出了底排药柱着火燃烧前的径向温度分布情况,分析了点火射流温度、固相颗粒直径、颗粒相浓度参数变化对点火软化时间和点火延迟时间的影响,研究结果对指导点火具和底排药柱的改进设计具有参考价值.     

序列堆积杆状药床微细孔道相间阻力特性研究

为了进一步提升火炮发射弹丸的炮口动能,传统粒状药由于其装填条件的制约,在很大程度上无法满足现代火炮的需求。杆状药以其优异的装填性能得到了广泛的关注,采用杆状药以序列形式进行装填,可以有效调高火药装填密度。对于花边形的多孔杆状药,为更好研究其内弹道性能,采用仿真计算分析其燃烧性能,此过程需要大量辅助方程以保证计算结果的准确性。其中,燃气在序列堆积杆状药床微细孔道内流动的阻力系数是两相流内弹道的重要参数。利用实验装置分别完成氮气在杆状药内孔、花边间隙及装填药床流动的阻力特性实验研究,测量孔道进出口压降以及流量,总结出相间阻力系数f与雷诺数Re与间的关系。在同等条件下,使用Fluent仿真软件对氮气在微细孔道的流动特性进行计算分析,与实验结果吻合较好。在验证此模型的合理性后,将氮气更换为杆状药燃烧生成的火药燃气,结果表明：随着雷诺数Re增大,阻力系数f不断降低,可以拟合出相应的无量纲关系式f(Re),为两相流内弹道计算提供基础。     

内弹道两相流方程组的类型和颗粒间应力

根据一阶拟线性偏微分方程组的特征理论，讨论内弹道两相流方程组的类型。颗粒间应力的存在是决定方程组类型的重要条件。对火药床的颗粒间应力作定性和定量的分析。     

铝粉含量对火箭发动机推力影响研究

建立了固体火箭发动机喷管的气固两相流计算模型,对不同铝粉含量的复合固体推进剂的燃气在喷管中的两相流动进行了数值模拟。研究了推进剂中铝粉含量对发动机推力性能的影响规律;通过对速度场和压力场分析并结合推力基本计算公式得出发动机推力变化趋势,结果表明：在其他成分不变的情况下,随着单位质量复合推进剂中铝粉含量的增加,燃气流动速度降低、压力升高,火箭发动机的推力呈现先增大后减小的变化趋势。     

基于改进两相流模型的模块装药内弹道模拟

为研究模块装药的特殊装药结构的内弹道特性,改进和优化装药结构参数,需建立数学模型进行模拟。现有的两相流模型不能直接用于模块装药的计算,根据模块装药的特点对现有模型进行改进和细化,考虑了装药和点火不连续、模块非同时破裂等因素,使其更接近模块装药内弹道实际过程。根据建立的改进数学模型对模块装药内弹道过程进行模拟,并对结果进行验证和分析。模拟结果与实验对比相符,数值模拟显示:在模块装药内弹道过程中存在点传火间断,传火过程更长,模块是按序破裂的。模块破裂时间受模块盒体强度和传火性能影响,模块盒体和传火管端盖强度越大,则模块破裂开始时间越晚,开始破裂到所有模块全部破裂时间跨度更长。     

破碎发射药等效形状函数的确定方法

为了准确表征破碎发射药在火炮膛内的燃气生成规律,提出了确定破碎发射药的等效形状函数的方法。通过密闭爆发器试验模拟不同破碎程度发射药在真实的膛内环境下膛压与时间的变化关系,得到破碎发射药等效形状函数,并定性分析了其与起始动态活度比的关系。该方法所得的等效形状函数能体现破碎发射药的燃烧特性,为考虑破碎的两相流内弹道研究提供了一种新方法。     

液体推进剂和气体

通过对液体推进剂存在方式、溶解性气体对耦合振动(POGO)的影响分析和二次启动发动机技术的研究,提出引入二相流概念和解决发动机二次启动等相关技术方案,上述技术方案在试验及发射中获得成功.