水冲压发动机热力计算

简述了水冲压发动机化学平衡与非化学平衡热力计算方法及相应的适用条件,计算了试验发动机补燃室温度,并与试验数据进行了对比分析。分析结果表明,该热力计算方法适用于水冲压发动机。用热力计算方法可确定水冲压发动机最佳水燃比,进而指导水冲压发动机的设计和试验。

大型分段式固体火箭发动机点火瞬态过程研究

通过建立固体火箭发动机点火瞬态数学模型,对某大型分段式固体火箭发动机工作初期小火箭式点火装置的火焰喷射方式、分段对接部位火焰传播过程以及前后翼燃面的传播过程等进行数值计算研究。计算结果表明,发动机点火过程中,燃烧室内的流动顺畅,没有出现压强异常振荡现象,点火初期的火焰冲击对分段对接部位的绝热结构影响很小,但整个后翼槽药面全部点燃用时在整个火焰传播期用时占比过大。数值计算结果与全尺寸发动机地面热试车结果对比表明,数值计算点火平衡压强、压强爬升时间以及升压速率与地面热试车结果吻合性好。

进水方式对水冲压发动机性能的影响

在一次燃气参数及总水燃比相同的情况下,研究了进水方式对水冲压发动机性能的影响,所得结论得到了试验结果的部分验证。研究表明,要使发动机获得较高比冲,进水方式的设计至少应该遵循两个原则——一次进水流量和活性铝粉流量接近1∶1;后部进水位置尽量靠前,以使所有水雾都能完全蒸发。

喷管斜置对固体发动机燃烧室熔渣沉积影响数值分析

采用Euler-Lagrangian方法描述固体火箭发动机三维两相流动,数值分析了某大型发动机中喷管斜置对熔渣沉积的影响。计算结果表明,喷管斜置会减轻燃烧室后封头反向区域的气相回流,减少后封头反向壁面的小颗粒沉积量,与之对应的,会增加后封头同侧壁面的小颗粒沉积量。与直喷管发动机相比,喷管斜置会引起大量的凝相颗粒在喷管收敛段壁面沉积,颗粒速度分布离散度更大,高速凝相颗粒撞击壁面显然会在一定程度上加剧喷管收敛段绝热层冲刷烧蚀情况。

喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化分析

针对目前喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化缺乏定量分析的现状,通过材料模型、载荷模型的研究工作,建立能够满足喷管后效传热分析精度要求的喷管温度场有限元计算方法,并通过缩比试验喷管温度场计算与试验测试结果的对比分析进行验证。在此基础上,开展了背壁绝热层后效传热的仿真分析,掌握了后效传热炭化分析方法,并得到了解剖测试结果的验证。研究结果表明,背壁绝热层的炭化大部分发生在后效传热期间。利用该方法进行了全尺寸喷管的背壁绝热层后效炭化分析工作,提出了根据温度计算结果进行裕度评估的方法。评估结果表明,全尺寸喷管的背壁绝热层设计厚度有减薄空间。

固体火箭发动机套管型药柱结构的抗冲击研究

建立了套管型药柱结构的固体火箭发动机燃烧室有限元分析模型,采用冲击响应谱模拟固体火箭发动机受到的外界冲击载荷,分析了固体火箭发动机在横向冲击载荷作用下其药柱、支撑杆的受力、变形。计算结果表明,对于套管型药柱结构的固体火箭发动机,药柱和支撑杆的中部受力和变形最大;随着冲击响应谱斜率增大,套管型药柱的最大应力值逐渐变小。

稠密粒子流作用下三元乙丙绝热材料烧蚀性能分析

为研究稠密粒子流作用下三元乙丙绝热层材料TI117的烧蚀性能,采用基于地面模拟试验发动机完成了18发烧蚀试验。通过分析试验数据,认为针对TI117绝热材料存在一个粒子冲刷速度临界值vcri=28m/s,当粒子流速度小于vcri时,粒子流状态参数对绝热层炭化烧蚀影响较小,当粒子流速度大于vcri时绝热层烧蚀率随粒子冲刷速度的增加增幅较快,粒子冲刷角度的影响也显著。通过分析颗粒浓度、冲刷速度和角度等随烧蚀试验状态的变化规律,结合试验数据进行回归分析,给出了三元乙丙绝热材料TI117在两种冲刷状态下的烧蚀率工程预示模型。通过分析芳纶纤维铺设方向对TI117绝热层烧蚀的影响,认为两种铺设方向下烧蚀结果基本一致,严酷条件下芳纶纤维垂直铺设优于平行铺设。

残余限燃环对大型分段式固体火箭发动机凝相沉积的影响

采用Euler-Lagrangian方法描述固体火箭发动机两相流动过程,数值分析了某大型分段式固体火箭发动机地面试车后在后段燃烧室筒段出现大量的Al 2O 3凝相颗粒沉积现象,计算过程中考虑了气相湍流脉动对凝相颗粒的影响,并通过缩比分段式固体火箭发动机地面粒子沉积试验对计算结果进行验证,数值计算与试验结果基本吻合。二者结果表明,由于前后段燃烧室推进剂燃速差异性,导致在大型两分段式固体火箭发动机工作末期,前段燃烧室高温燃气中的大量微小颗粒受到湍流脉动的影响而被后段燃烧室筒段壁面捕获形成凝相沉积。同时研究表明,燃烧室分段部位的残余限燃环高度对后段凝相沉积量影响非常明显,通过降低分段部位限燃环残余高度,能够明显降低发动机工作过程中后段燃烧室的凝相沉积量。

一次燃气入口角度对水冲压发动机比冲性能影响分析

为了研究一次燃气入口方式对于水冲压发动机性能的影响,基于涡耗散模型建立某高金属含量镁基推进剂水冲压发动机三维多相流掺混燃烧反应模型,获得了一次燃气不同入口角度对补燃室内温度分布、镁组分变化以及发动机比冲的影响。计算结果表明,多股燃气中心汇聚明显加剧了一次进水区域内的镁/水燃烧反应速度,有效提高了发动机工作压强和比冲,同时有利于减少镁/水充分反应所需的补燃室长度。

一次水燃比对高金属含量镁基推进剂水冲压发动机比冲性能影响分析

为了进一步提升水冲压发动机比冲性能,基于涡耗散燃烧模型,建立了高金属含量镁基推进剂水冲压发动机3D多相流掺混燃烧反应模型,获得了不同进水比例对补燃室内温度分布、组分变化以及发动机比冲等参数的影响规律,计算结果与地面试验基本吻合。研究结果表明,一次水燃比对高金属含量水冲压发动机的性能影响明显,随着一次水燃比的不断增大,发动机比冲呈现出先增后减的情况,存在某个最佳的一次水燃比,发动机比冲性能最高。

石蜡基燃料固液混合发动机燃面退移过程预示方法

与传统固液混合发动机燃料相比,石蜡基燃料的液滴“夹带”机制对固液混合发动机燃料表面的“阻滞”效应存在缓解作用,有效提高了燃面退移速率。通过引入吹风系数加权因子表征了该缓解作用,建立了石蜡基燃料燃面退移过程预示方法,为阐述石蜡基燃料的燃面退移过程提供了理论基础。结果表明,当吹风系数加权因子n=0.4时,该方法的预示结果与实际测量值最为接近;石蜡基燃料“夹带”机制可以极大提高固体燃料燃面及附面层内的吸热量,缓解了“阻滞”效应,但使得燃气向燃面的辐射换热热流减弱;随着燃面退移,固液混合发动机燃料表面的“阻滞”效应逐渐减弱,石蜡基燃料“夹带”机制对于“阻滞”效应的缓解作用,随着该效应自身的减弱也逐渐减弱。