富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅱ)收缩管聚集法

发展了一种能开展高过载条件下绝热层烧蚀研究的模拟实验方法———收缩管聚集法,研制了收缩管聚集高过载模拟烧蚀实验装置。对实验装置及固体火箭发动机过载条件下的三维两相内流场开展了对比数值模拟,结果表明这种实验装置产生的高浓度粒子流与40g纵横向过载条件下发动机内形成的高浓度粒子流状态很接近,说明这种实验方法是可以模拟高过载条件下绝热层烧蚀环境的。利用这套实验装置开展了高浓度粒子流冲刷条件下绝热层烧蚀实验,对6种绝热材料开展的烧蚀实验表明:所有试件表面均被冲蚀出一个凹坑,说明粒子冲刷对绝热层烧蚀影响很大。凹坑最大烧蚀部位与数值模拟得到的粒子浓度最大部位基本吻合。

颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了两套冲刷状态可调的烧蚀实验发动机,开展了颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究。结果表明,冲刷速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素;颗粒冲刷速度较低时,即使颗粒浓度很高,烧蚀率也并不是很大;对烧蚀数据进行的回归分析表明,最大线烧蚀率与颗粒冲刷速度平方接近正比关系,而颗粒浓度的影响非常小。

聚集状态下凝相颗粒的收集与测量

发展了一种可以收集燃烧室中聚集状态颗粒的方法,研制了收集实验装置。数值计算表明,通过改变实验装置的收敛角和实验状态参数可以模拟真实发动机中的颗粒聚集状态。利用该实验装置开展了聚集颗粒收集实验,实验工况模拟了某高过载发动机在横纵向过载均为40g时的颗粒聚集状态。对实验收集到的颗粒进行了电镜分析,发现大颗粒是由多个小颗粒聚合而成,说明聚集状态下颗粒间碰撞聚合的概率大大增加。对粒径分布进行了半定量的统计,与非聚集状态下的发动机燃烧室中的粒径分布作了比较,证明聚集状态下粒径要比非聚集状态下的大得多。

强冲蚀条件下SRM绝热层烧蚀特性实验分析

利用高过载收缩管实验发动机,开展了强冲蚀条件下的绝热层烧蚀特性研究。实验结果表明:颗粒冲蚀区的炭化层厚度明显薄于非冲蚀区,且炭化层抗剪切能力较弱。通过机理分析,认为高浓度颗粒流的强冲蚀对炭化层具有强烈的剥蚀作用。结合数值计算方法,发展了一种利用少量烧蚀实验结果,获取大量烧蚀规律和信息的数据分析方法。建立了实验条件下的高硅氧酚醛材料的烧蚀量和颗粒冲蚀状态之间的函数形式,并给出了颗粒冲蚀状态与烧蚀率之间的经验公式,具有较强的工程实用价值。

冲蚀条件下炭布橡胶绝热层烧蚀实验与计算

开展了冲蚀条件下一种炭布橡胶类绝热材料的烧蚀实验,研究了颗粒浓度和冲蚀速度对该绝热层烧蚀的影响规律。实验结果表明,实验条件下冲蚀速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素;冲蚀速度较低时,即使颗粒浓度很高,烧蚀率也不是很大。在实验基础上建立了一种基于炭化烧蚀模型的烧蚀计算模型,即首先根据实验数据建立冲蚀状态与炭层厚度之间的关系,然后采用传统的炭化烧蚀模型进行烧蚀计算,计算结果与实验结果在一定程度上较为吻合。

聚集状态对固体火箭发动机颗粒粒度分布的影响

开展了聚集状态下颗粒的收集实验和粒度分析,研究了聚集度和压强对粒度分布的影响规律。聚集状态的颗粒利用收缩管装置产生,采用一种颗粒收集方法对颗粒进行收集,并冻结其形态,对收集到的颗粒采用激光粒度分析仪进行了粒度分析。研究结果表明,聚集状态下颗粒平均粒度比常规条件下大很多,分布范围也较常规条件下宽得多,粒度分布曲线呈双峰或多峰分布,主峰比重很大;颗粒聚集度增大,颗粒粒度平均值增大,大粒度颗粒比重增加;颗粒粒度随燃烧室压强增大而增大。

高浓度颗粒冲刷条件下高硅氧酚醛烧蚀实验

利用高过载模拟烧蚀实验发动机,开展了高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料烧蚀机理的实验研究。研究表明:高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料的烧蚀比常规条件下要严重的多,其机理主要是高浓度颗粒流冲刷对炭化层具有强烈的剥蚀效应;相同条件下高硅氧酚醛材料抗颗粒流冲刷的性能明显比石棉酚醛模压材料差;增强绝热材料炭化层的致密性和韧性是提高绝热材料抗颗粒冲刷能力的有效途径。提出了建立高浓度颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀建模的思路,为高过载条件下热防护研究提供了理论基础。

绝热层长度对喉栓发动机径向传热影响研究

针对非同轴喉栓发动机喷管绝热层长度增加后,喉栓内部温度不降反升的现象,建立不同绝热层长度的系列三维喷管模型进行数值仿真计算,得到喉栓的温度分布和周围燃气的压强、速度、温度分布。通过对绝热层与喉栓之间狭缝内的流场进行分析,发现狭缝中存在燃气环绕喉栓流动的现象,这种环绕流动受狭缝上下方入口的压强差影响,又分为单侧绕流和双侧绕流两种。过长的绝热层会使狭缝上下方入口压差上升,燃气绕流形式由双侧绕流变为单侧绕流,流动传热效果增强,喉栓结构温度升高。通过比较两种燃气绕流形式下的喉栓温度,得到了喉栓绝热层长度与结构温度分布的响应关系,提高了对喉栓结构温度分布的预测精度。

固体火箭发动机绝热层粒子侵蚀特性数值模拟研究

针对固体火箭发动机高浓度颗粒流冲刷下的粒子侵蚀绝热层问题,运用Standard k-ε湍流模型和颗粒轨道模型对某型地面模拟过载试验发动机进行三维两相流数值模拟,分析两相流场特性,基于Oka粒子侵蚀模型计算某型EPDM绝热层的粒子侵蚀率,并与7次地面模拟过载试验发动机粒子侵蚀试验结果进行对比。数值结果表明,该粒子侵蚀模型可靠且精度有保证,能够正确预示绝热层粒子侵蚀特性;计算与试验所得的侵蚀率分布范围基本相同,计算所得最大侵蚀率偏大,最小相对误差4.69%,平均相对误差约13.89%;但侵蚀分布特征与试验结果不完全一致,分析认为粒径分布数据与真实值的偏差是侵蚀分布特征存在差异的主要原因。研究结果可用于工程中EPDM绝热层高浓度颗粒冲刷下的粒子侵蚀分析,能够为固体火箭发动机绝热层设计及热防护可靠性研究提供参考。

双脉冲固体火箭发动机隔舱打开与破片运动过程模拟

相比传统固体火箭发动机,具有能量管理特性的双脉冲固体火箭发动机结构更为复杂,为了提高其工作可靠性,针对核心部件金属隔舱的破片运动过程开展了数值仿真与试验研究。首先基于LS-DYNA软件,分析中引入监测函数、逻辑开关函数和加载驱动函数,模拟燃气流对破片的连续作用力,计算得到了在不同时刻破片的空间分布规律、撞击点位置及发动机内部损伤情况,保证了破片运动过程的高保真还原。其次,为了验证仿真结果的准确性,进行了模拟二脉冲初始工况的热流试验,发现破片撞击位置及损伤程度的仿真结果与试验数据一致性较高,其中撞击位置的预示误差小于9%,试验结果充分验证了有限元模型的准确性。由此,建立了适用于双脉冲固体火箭发动机金属隔舱破片运动过程的分析模型,实现了破片撞击位置及损伤程度的高精度预示。

某双脉冲发动机燃烧室两相流场数值分析

某双脉冲固体火箭发动机试验后出现一脉冲绝热层纵向烧蚀不均匀现象,一脉冲前段绝热层出现"凹坑"。为了解其原因,应用数值计算方法,采用FLUENT计算平台,对此发动机燃烧室内两相流场进行了数值模拟。计算结果表明,由于双脉冲发动机级间通道的存在,使得燃气流在一脉冲燃烧室内出现后台阶流动,气流发生分离再附着过程,气流再附着点附近刚好为绝热层烧蚀较为剧烈的部位,同时颗粒相随气流撞击在绝热层壁面位置,也与"凹坑"部位重合。因此,气流再附着过程及颗粒相冲刷过程为影响一脉冲绝热层纵向烧蚀不均匀现象的重要原因。

大长径比固体火箭发动机涡声耦合特性数值分析

为研究某型大长径比单室双推固体火箭发动机出现压力/推力振荡的原因,应用大涡模拟和声腔频率数值分析方法,对其涡-声特征场进行数值计算,获得相应声频率、涡脱落频率和压力振荡响应频率,并与试验进行对比分析。结果显示,该发动机发生了声不稳定燃烧,引起其振荡的主要原因为涡声耦合问题,通过改进装药形面后向台阶旋涡输运距离和推进剂燃速,调整涡脱落频率,使其远离声频率,从而消除涡声耦合导致的压力/推力振荡现象,发动机热试试验证明预判方法准确可靠,且改进方案有效消除了发动机压力/推力振荡现象。

贴壁浇注装药两种应力释放结构对比分析

基于线性粘弹性本构模型,对应力释放槽和衬垫结构两种用于贴壁浇注装药结构的应力释放结构方案在固化降温中的应力释放效果进行了研究。结果表明:应力释放槽和衬垫结构在固化降温中的应力分布无显著差别。应力释放槽结构的应力分布,连续平缓效果更好。

含铝固体复合推进剂颗粒团聚现象

含Al固体复合推进剂在燃烧过程中,燃烧表面存在Al颗粒团聚现象,其对火箭发动机性能产生重要影响。通过分子动力学算法建立固体复合推进剂三维颗粒微观模型,实现了模拟三维空间内AP颗粒和Al颗粒的随机分布特征。并建立了颗粒的团聚模型,分析研究Al颗粒在随机填充模型中的团聚现象,得到了不同的临界分离距离下Al颗粒粒径分布规律,并将之与实验数据进行对比,最终总结出了合适的临界分离距离与Al颗粒直径的经验公式。然后总结出了Al颗粒在气固交界面发生团聚后粒径的分布规律,设计了Al颗粒在气固交界面的Rosin-Rammler概率分布函数,分析得到其均匀性系数与特征系数分别为1.4453与86.49,可用于数值模拟计算固体燃料燃烧面退移过程中表面Al颗粒喷射的初始粒径。