有机凝胶燃料液滴燃烧过程相分离现象

要掌握凝胶推进剂在燃烧室内燃烧特性,必须首先认识清楚单个凝胶推进剂液滴的燃烧机理。为了揭示凝胶燃料液滴特殊的燃烧机制,在考虑相分离阶段液滴内部温度和浓度梯度变化的基础上,完善并发展了一种新的数学模型来描述凝胶燃料液滴的相分离过程,并且用之研究了凝胶燃料单液滴蒸发/燃烧过程中的相分离特性。研究结果表明:相分离阶段,液滴的半径按d2定律收缩,与实验结果吻合;液滴点火后,火焰由初始位置向液滴外围扩展,火焰温度不断上升,并且逐渐趋于稳定;相分离前期,在液滴内部,特别是表面附近的区域,质量的输运较热量输运容易,而相分离后期则呈现相反趋势,这就导致在相应的区域相分离前期比后期有更大的温度梯度,而相分离后期比前期有更大燃料浓度梯度。

固液火箭发动机中燃料热解速率的测量与分析

固液火箭发动机中,内弹道的计算、流场与性能分析等都需要确定燃料表面的退移速度,常规的热重分析、差热分析因升温速率太慢,与发动机环境的高升温速率差别很大,得到的热解速率误差大。采用了热板实验装置测量高升温速率环境下的固体燃料退移速率。采用高速摄影和超声波传感器进行动态测量,对比了摄影测量和超声波测量的结果,得到了超声波测量得到了热解过程中的退移速率与低密度聚乙烯表面温度的关系。

固液混合火箭发动机燃烧的边界层计算

针对固液混合火箭发动机典型的边界层燃烧理论,用边界层的方法对固液混合火箭发动机燃烧进行了计算,计算采用二维轴对称的层流边界层方程,化学模型采用有限速率模型。计算考虑了不同氧化剂流率,不同吹入参数的多种情况,得到了固体混合发动机边界层的温度场分布,并利用计算结果,拟合了固体燃料的燃速公式,与相关文献的比较说明计算正确,结果符合燃烧机理和流动规律,为进一步研究固液混合火箭发动机的燃烧问题打下了基础。

采用N_2O与含金属HTPB燃料固液火箭发动机燃速试验研究(英文)

为了研究含金属固体燃料固液火箭发动机的燃速及发动机的工作特征,采用N2O氧化剂与含Al,Mg和C的HTPB基固体燃料的固液发动机进行试验研究与分析,试验在3种尺寸药柱、多种氧化剂流量下进行,获得发动机的燃速、燃烧室压强及燃烧效率等参数。为分析辐射换热对燃速的影响,把燃速分成两部分并提出相应的分析式:一部分由对流换热控制的燃速,由通过药柱通道的总质量流率来衡量;另一部分由辐射换热控制,通过燃烧产物中凝相组分对固体燃料壁面的辐射换热量决定。对试验结果进行分析发现,除富氧的情况外,热辐射控制的燃速约占总燃速的30%~60%,辐射控制燃速与对流控制燃速的比例趋势与燃烧产物中凝相组分的质量分数随氧燃比的变化规律相似。同时,试验结果显示,试验燃速总体上随着固体药柱通道中氧化剂质量流率的增加而增大。发动机的燃烧效率绝大多数位于80%~97%的范围,在化学当量比附近和富氧范围内,随着燃烧温度的降低而降低,效率曲线与理论绝热燃烧温度值的平方相似。

固液发动机实验燃烧器的气固耦合传热计算

针对固液火箭发动机中复杂的燃烧、传热过程,在FLUENT软件的平台上,采用气固耦合传热计算的方法模拟了二维扩散燃烧实验器中的温度、组分分布,并利用动网格方法模拟了固体燃面的不规则热解退移。稳态流场计算的结果和燃面动态退移情况都验证了扩散火焰距燃面的距离和燃面上方主流流速是影响退移速率的主要因素。此方法可以较好地模拟固液火箭发动机中复杂的非定常传热和燃面退移过程,较准确地预示固液发动机的内弹道性能。

H_2O_2-PE固液火箭发动机低频不稳定燃烧研究

介绍了85%H2O2 PE固液火箭发动机的低频不稳定燃烧特征;应用发动机质量守恒方程对发动机低频耦合振荡燃烧现象进行了一维模拟,分析了氧化剂喷射压降对低频不稳定燃烧的影响。利用扰动分析确立了固液火箭发动机的稳定工作限,提出了抑制低频耦合振荡燃烧的方法。

富燃料推进剂端面燃烧规律的X射线诊断研究

利用X射线高速实时荧屏分析技术(RTR),针对燃气发生器铝镁富燃料推进剂端面燃烧规律开展了内视研究。实验成功采集了富燃料推进剂燃面推移图像,表明燃面是沿轴线以平端面进行推移。文中结合实验对端面燃烧规律和P-t曲线进行了分析。

双螺杆固液混合燃料输送系统设计与实验研究

固液燃料混合推进是航天推进系统的重要环节。液体发动机燃料热熵低,为了提高火箭或导弹的续航能力,结合固体粉末燃料热熵高的特点,采取了固液混合燃烧的策略,进而提高发动机燃料的热熵,增加发动机的续航里程。根据齿轮啮合原理,对关键结构双螺杆齿形展开修形设计,建立了流道三维模型和仿真模型;在齿形设计的基础上,围绕固液混合均匀、变比例输送开展固液混合燃料输送系统集成设计,完成整机的加工、装配、调试,搭建实验平台,建立液压测试系统,开展实验。结果表明,设计的两相流泵实现了固液两相物料的混合输送,实现了固液燃料变流量、变比例、变出口压力的均匀混合效果。该小型燃料泵能够实现出口流量30~600L/h,出口压力0~900kPa,固液混合比例0%~10%的固液混合燃料输送,且输送效果良好,研究结构可供设计变推力火箭发动机参考。

混合发动机燃面后退速率模型分析

燃面后退速率在工作条件改变过程中的变化对混合发动机的设计有很大的影响 ,然而由于理论推导涉及面很广 ,很难得出一个燃面后退速率统一公式。文中总结和分析了不同类型的燃面后退速率实验模型 ,这些模型对于研究燃面后退速率问题有很多的借鉴之处 ,并且还得到了一个燃面后退速率最佳经验公式。此外 ,还对燃面后退速率的数值模拟作了一些阐述。

模拟壳体/燃烧室外压承载能力研究

为了研究固体火箭发动机的外压承载能力,了解药柱对燃烧室外压承载能力的贡献,文章对设计的模拟壳体和燃烧室进行了外压极限试验,得到了临界外压屈曲载荷。同时采用有限元软件进行了模拟壳体/燃烧室的外压稳定计算,计算结果与试验结果吻合较好。试验和计算结果都表明:虽然推进剂药柱模量较低,但其对燃烧室外压承载能力贡献较大。在固体发动机外压工况下的设计中,外压载荷指标不能仅分配给壳体,还需要综合考虑壳体与药柱的承载能力。

基于扩展TAB模型的凝胶液滴二次雾化特性研究

为初步研究幂率型凝胶液滴的二次雾化特性,将原始的Taylor-analogy-breakup(TAB)模型扩展并应用到幂率型凝胶颗粒中,采用四阶Runge-Kutta法对凝胶液滴的振荡方程和运动方程进行了数值求解,计算了不同空气动力和物性参数条件下的初始破碎时间和临界特征。结果表明:随着相对速度和液滴直径的增加,初始破碎时间迅速降低,然后保持稳定;随液/气密度比和表面张力系数增大,初始破碎时间呈线性增长趋势;初始破碎时间随稠度系数增大而增大,而当流动指数较小时初始破碎时间变化很小,流动指数超过0.6后初始破碎时间增长迅速,二者与相关实验比较存在一定误差;随Web数增大,液滴的振荡幅度变大,达到稳定后其无量纲变形系数就越大;凝胶液滴的稠度系数越高,临界Webc数越大,液滴二次雾化能力越低。流动指数小于0.6时,临界Webc数变化较小,而后其值则迅速上升。

斜切喷管推进系统的优化设计

介绍了一种针对采用斜切喷管推进系统的优化方法 ,通过多项式拟合来进行参数分析 ,从而在参数分析的基础上来确定目标函数的最优值。采用这种方法对某斜切喷管发动机进行了优化 ,优化结果比较理想 ,与设计相符 。

提高固液混合火箭发动机燃面后退速率的方法

固液混合火箭发动机的燃面后退速率低是制约该类发动机应用的主要因素。通过对大量相关文献分析,明确了固液混合火箭发动机中提高燃面后退速率的主要方法,方法一是在燃料中加添加剂,如AP粉和Al粉,方法二是使进入燃料腔的液体氧化剂产生旋流,这些方法对提高固液混合火箭发动机的性能具有重要意义。

限制域形状对分层火焰和燃烧不稳定性的影响

为了研究中心分级燃烧室中限制域形状对火焰结构及燃烧不稳定性的影响,实验过程中,选择带有CH*滤镜的相机拍摄火焰图像,采用动态压力传感器测量压力脉动。结果表明,突扩限制域和斜坡限制域中的时均火焰结构相似,但突扩限制域中的火焰动态结构呈现出周期性变化,并伴随着压力振荡。而斜坡限制域中的火焰动态结构基本不变,且压力脉动接近于零,主要原因是斜坡限制域中的旋涡脱落过程受限,旋涡与火焰的相互作用被大幅削弱。通过改变主燃级通道流速调节延迟时间,发现突扩限制域中会出现压力振幅的周期性变化,而斜坡限制域中始终保持稳定燃烧。本文的研究表明,使用斜坡限制域有潜力成为在宽工况范围内有效抑制燃烧不稳定的被动控制方法。

横向气流中航空煤油凝胶液滴二次雾化特性实验研究

为研究航空煤油凝胶液滴在横向气流中的二次雾化特性,建立了二次雾化实验台,制备了3种胶凝剂含量下的航空煤油凝胶,在不同实验条件下(82<We<691,9.6×10-4<Oh<3.77)对液滴二次雾化过程进行了拍摄。测量了液滴变形、破碎模态、破碎时间、剥离速度及R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定波波长等特征参数,并与航空煤油液滴进行了对比。结果表明:在实验条件,煤油和煤油凝胶液滴无量纲变形率在0.5~2.0,胶凝剂含量增加,液滴粘性效应增强,平均无量纲变形率降低;航空煤油和凝胶液滴具有两种破碎模态,同种破碎模态下,煤油和煤油凝胶的破碎过程相同;煤油和煤油凝胶液滴初始和总破碎时间随We数变化规律基本相同。不同Oh数下,3%煤油凝胶初始和总破碎时间与文献计算值相差较大,而其余3种材料液滴则吻合较好;液滴剥离速度随We数逐渐增加。We数低于200时,煤油剥离速度高于煤油凝胶,但继续增大We数时则相差不大;R-T不稳定波波长随We数增加而减小。煤油、1%和2%煤油凝胶波长实验值和理论值基本吻合,而对3%煤油凝胶,理论值则高于实验值。

3D打印骨架增强石蜡燃料燃烧机理实验研究

针对固-液混合火箭发动机中石蜡基固体燃料机械性能差的问题,使用3D打印聚合物骨架镶嵌石蜡的方法增强了石蜡基燃料的结构强度,分析了骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注下的燃烧机理。通过对七种骨架材料进行SEM扫描、力学、热力学分析和纯氧条件下的燃烧试验,获得了不同骨架材料的微观表面结构、机械性能、热分解性能以及在纯氧环境下的燃烧性能;使用直/旋流固-气掺混燃烧试验系统,开展了螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料的燃烧试验,并与ABS固体燃料进行了对比。结果显示,在多种骨架材料中,ABS材料加工性能、机械性能及热分解性能良好;燃烧过程中,骨架增强石蜡燃料结构稳定性良好,石蜡液滴主要出现在石蜡-骨架交界处;旋流喷注和螺旋型骨架可促进石蜡液滴的夹带现象;在直流喷注工况中,骨架的凹槽结构增加了燃料与氧化剂的接触面积,尾部骨架结构具有稳焰作用,可促进后燃烧室的掺混燃烧;石蜡燃料和骨架燃速差异较大,发动机内弹道性能可能受此影响。

固液发动机燃面退移控制因素分析

为获得固液发动机固体燃料燃面退移的控制因素和机理,开展了数值仿真和试验研究。建立二维轴对称计算模型,考虑燃料与氧化剂的混合燃烧和流动过程,计算得到了固液发动机工作过程中的温度、压强、速度和组分的分布,以及不同时刻固体燃料的燃面形貌。仿真与试验结果的对比证明了计算方法的有效性。结果表明:固液发动机的燃面呈现显著的非平行退移特征;燃烧室压强对燃面退移不均匀性的影响可忽略;控制燃面退移的主要因素是燃气传向固体燃料表面的热流密度,燃料表面的温度变化是宏观表现。在靠近喷嘴位置,燃面退移的热量传递主要受燃烧反应过程控制,而靠近喷管处燃面退移的热量传递主要受燃气流动过程控制。研究为固液发动机的装药优化设计和高效燃烧组织提供了理论依据。

“北航二号”固液混合火箭发动机探空火箭试验成功

由北京航空航天大学宇航学院设计研制的“北航二号”固液混合火箭发动机探空火箭飞行试验获得成功．这是我国首次成功发射和回收以固液混合火箭发动机为动力的探空火箭。

北京航空航天大学“北航二号”固液混合火箭发动机探空火箭飞行试验成功

12月5日下午3点05分，北京航空航天大学宇航学院设计研制的“北航二号”固液混合火箭发动机探空火箭在酒泉卫星发射中心飞行试验获得圆满成功!这是我国首次将以固液混合火箭发动机为动力的探空火箭成功进行发射和回收。而且项目组成员以本科生和研究生为主。

喷注方式和骨架结构对骨架增强石蜡燃料燃烧影响的数值分析

针对聚合物骨架镶嵌石蜡固体燃料在固-液混合火箭发动机中的燃烧问题,开展螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注固-气掺混燃烧器中的燃烧试验,利用CFD软件对燃烧过程进行数值仿真研究。对四种工况燃烧过程进行比较,分析骨架结构和喷注方式对燃烧室内燃烧的影响。结果表明:骨架材料和石蜡基燃料退移速率差异较大,随着燃烧进行骨架结构逐渐凸显。湍流强度和燃料质量流量共同影响燃烧室温度,燃烧室温度随着燃烧进行呈波动下降趋势。旋流喷注工况的燃烧室温度高于直流喷注工况,燃烧室头部存在高温区,轴向温度分布较直流喷注更加均匀,而直流喷注中燃烧室中段存在温度激增。在直流喷注条件下,相较于六角型骨架,螺旋型骨架更能提高燃烧室湍流强度。在旋流喷注条件下,氧化剂旋流强度对湍流强度提升起主导作用,骨架结构影响较小。