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。     

固冲发动机补燃室内硼颗粒点火和燃烧数值研究

采用颗粒轨道模型进行了含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补燃室内简单反应流模型,并在该模型下对某实验发动机进行了模拟,得出颗粒在补燃室内的分布,结果表明:进入头部回流区的硼颗粒能够快速点火,并且颗粒直径增大后,点火时间增加,颗粒燃烧效率显著降低.     

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。     

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.     

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.     

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％。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

某两侧进气固冲发动机二次燃烧性能提升仿真研究

为了提高采用头部两侧进气布局形式的固冲发动机的二次燃烧性能,以某地面连管试验用固冲发动机为研究对象,分别从进气道出口形式和燃气喷射方式两个方面对补燃室掺混燃烧流场的影响进行了仿真研究.结果表明:进气道出口结构形式对该种布局方案的补燃室二次燃烧性能有重大影响;在保持进气道出口结构不变的条件下通过合理配置一次燃气喷射方式可以在一定程度上提升二次燃烧性能.     

头部两侧进气固冲发动机补燃室内流场研究

采用PDF燃烧模型对头部两侧进气固冲发动机补燃室内流场进行数值计算,分析了高空和地面两种不同冲压喷管出口背压环境对冲压发动机二次燃烧的影响,并与试验结果进行了比较。利用该数值模拟方法分析了进气道出口形状、进气角度、飞行侧滑角等对发动机补燃室燃烧性能的影响,结果表明：进气道出口形状改为“肾形”可以改善补燃室绝热层的工作环...     

进气道直径大小对固冲发动机内流场的影响研究

为了探索在一定补燃室长度条件下进气道直径大小对固冲发动机内流场的影响,采用了标准k-ε湍流模型和组分输运模型数值模拟了一设计的固冲火箭发动机掺混燃烧过程的内流场。结果表明:在一定补燃室长度和进出口条件下,存在一最佳进气道直径,能使空气与燃气完全掺混燃烧。在文中模拟条件下的最佳进气道直径为30mm。     

可变流量固冲发动机一体化流场研究

以某可变流量固冲发动机为研究对象,建立进气道/补燃室一体化流场数值模型,结合地面直连试验,研究了空燃比对固冲发动机性能和流场结构的影响。结果表明:导弹飞行状态不变,减小空燃比可有效提高固冲发动机的推力但比冲减小,导弹射程减小;大空燃比调节时,补燃室内流场结构未发生显著变化,空燃比减小到7时,大量燃气沿补燃室中上部流动;空燃比减小使进气道的结尾激波向上游推移,进气道裕度减小。     

固体燃料冲压发动机旁路进气对硼粒子燃烧的影响

本研究报告论述了固体燃料冲压(SFRJ)发动机单个硼粒子燃烧特性的理论预测。研究表明在,主燃烧室中硼粒子不能完全燃烧。为了得到较高的燃烧效率,对使用旁路进气的补燃室方案做了试验。结果表明在,0.5m长的补燃室中,大部分的硼粒子都能完全燃烧。     

不同构型固冲发动机补燃室绝热层传热烧蚀

针对固冲发动机补燃室结构,建立了不同构型条件下补燃室三维流场带化学反应流场模型与不同构型条件下补燃室内二维绝热层传热烧蚀模型.运用FLUENT软件模拟了补燃室内燃气的流动与燃烧.运用ANSYS软件对补燃室内绝热层进行了热分析数值计算,求解了绝热层的温度场.根据材料的热解温度范围,判断出材料的烧蚀分层.针对2种不同结构构型的凹坑,进行了冲压发动机地面联管试验,计算结果与试验结果基本吻合.结果表明,文中所建立的绝热层传热烧蚀计算方法可以较好地模拟出材料的传热烧蚀过程.     

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。     

含金属推进剂在管道火箭中的燃烧

研究含金属推进剂的燃烧特性旨在获得用于管道火箭的最佳推进剂。试验测定了含镁-铝合金和硼粒子的推进剂燃速和补燃效率,并计算了与燃料和空气混合比的函数关系。由50％镁-铝合金、20％端羟基聚丁二烯及30％的过氯酸铵组成的推进剂在补燃室中非常有效地燃烧。而由30％硼、40％过氯酸铵及30％端羟基聚丁二烯组成的推进剂燃烧效率却不佳,原因是硼粒子燃烧不完全。在含硼推进剂中加入5％～10％的镁-铝合金可增加燃烧效率。