镁-二氧化碳冲压发动机粉末燃料供应特性研究

为了研究镁-二氧化碳冲压发动机粉末燃料供应特性,搭建了粉末流量实时监测系统、高背压模拟系统和粉末喷注可视化实验系统,对所供应粉末流量的准确性和稳定性、不同载气流量下供粉状态和粉末喷注特性等供应性能进行了详细分析。结果表明:采用气固两相流壅塞式供应方式,可以确保供应系统在模拟发动机工作过程中的高背压环境下稳定且精确地供应粉末,实测粉末流量与理论最大偏差4.8%;为保证发动机工作稳定性,燃烧试验应在载气压力稳定阶段开展,此过程中供粉流量仅与活塞速度和粉末装填密度有关;在研究的载气流量范围内,载气流量对供粉流量影响不明显,但对粉末喷注特性有显著影响。粉末喷注速度随载气流量增大而线性增加,同时喷注锥角随载气流量增大则先减小后增大。综合粉末掺混、分散和发动机组织燃烧性能等多方面考虑,为提高模型冲压发动机理论燃烧性能,在后期点火试验中载气流量与粉末流量比可以初步设计在0.68附近。

粉末燃料冲压发动机理论性能分析

研究粉末燃料冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算软件,分别对以硼粉、铝粉、镁粉为燃料的发动机性能进行了计算,分析了不同参数对发动机比冲的影响趋势,为进一步研究及发动机设计奠定了基础。通过与常规液体燃料冲压发动机及固体火箭冲压发动机进行比较,说明了粉末燃料冲压发动机在比冲及体积比冲方面的优势。鉴于金属粉末燃烧产物中凝相物质含量高的特点,研究了两相流损失对发动机性能的影响。

金属粉末燃料冲压发动机初步试验研究

为了检验金属粉末燃料冲压发动机的点火及燃烧特性,对设计的发动机进行了初步的直连式试验研究。初步试验结果表明,目前设计的燃料供应系统能将粉末燃料有效输送到发动机燃烧室;在火炬作用下粉末燃料能实现快速点火启动;火炬工作结束粉末燃料可自身维持燃烧;燃烧室壁面沉积较多,主要分为2层,其中表层为白色MgO,内层为Mg、MgO和Mg3N2的混合物。

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。

粉末燃料冲压发动机研究进展

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料,兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机,粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能,还能改善并增加其原有功能,是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。针对粉末燃料冲压发动机及其相关研究领域的发展现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末燃料供给、发动机燃烧组织、发动机点火等粉末燃料冲压发动机主要关键技术,同时对发动机技术提出了高性能粉末燃料研究、冲压空气作为驱动流化气可行性研究、发动机快速响应和环境适应潜力及工作可靠性研究等几点研究展望。通过对粉末燃料冲压发动机相关研究技术进行综述梳理,明确了其研究的重点和难点,为发展高性能冲压发动机提供了一定参考。

粉末燃料冲压发动机自维持稳定燃烧试验研究

为了实现粉末燃料冲压发动机的持续稳定工作,采用设计的发动机进行了直连式试验研究。通过试验,验证了粉末燃料供应方式的可行性,获得了燃烧室压强及发动机推力曲线,计算了发动机的燃烧效率。结果表明,利用突扩回流稳定火焰的方法不适用随流性差的金属粉末燃料,钝体火焰稳定器可实现粉末燃料的自维持稳定燃烧,但稳定器周围沉积较多,降低了发动机效率。

粉末燃料冲压发动机内镁粉尘云层流燃烧模型

对粉末燃料冲压发动机预燃室内镁粉尘云燃烧过程进行了研究,建立了镁粉尘云的一维层流预混燃烧模型.研究表明,镁粉尘云层流火焰传播很稳定,燃烧过程中火焰结构基本不变,燃烧区很薄,而预热区厚度约是燃烧区的2～3倍.粉尘云中镁颗粒的蒸发和气相镁与氧气的均相反应是产生火焰的直接原因,也是火焰得以传播的关键.预热区气相温度升高主要靠燃烧区气体的导热和扩散过来的气相镁与氧气反应释放热量,而预热区颗粒相温度升高主要靠气相对其对流传热.分析了各参数对粉尘云燃烧的影响,颗粒相对浓度对粉尘云燃烧的影响比较复杂,在浓度较低的情况下,增大颗粒相对浓度有利于粉尘云快速燃烧;而在浓度较高的情况下,增大颗粒相对浓度则不利于粉尘云快速燃烧.随颗粒粒径的增加,火焰传播速度减小,火焰温度升高,预热区厚度增大.火焰传播速度和火焰温度随粉尘云初温增加线性增长,预热区厚度随粉尘云初温增加抛物线增长.数值模拟与文献中试验结果的变化趋势相一致.

大速差射流装置对固体粉末冲压发动机燃烧性能的影响分析

采用颗粒轨道模型对固体粉末冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,研究了大速差射流稳燃装置对发动机掺混燃烧性能的影响.计算结果表明,大速差射流稳燃装置提高了粉末燃料与空气的掺混程度,同时增大了粉末燃料在发动机中的停留时间,大幅度提高了粉末冲压发动机的燃烧效率,发动机燃烧效率达到89.3%.

粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火模型

对粉末燃料冲压发动机中镁颗粒群的着火过程进行了研究,建立了镁颗粒群的非稳态着火模型,数值模拟了镁颗粒群的着火过程。研究表明,颗粒相温度先缓慢升高,表面反应加剧之后,温度才急剧上升,很短时间内着火成功;而着火过程中气相温度整体升高不大,其温度总是低于颗粒相温度且升温很慢,特别是着火阶段后期,气相的升温速率远小于颗粒相的升温速率,分析了各种参数变化对颗粒群着火的影响。随颗粒浓度的增加,颗粒群的着火时间缩短;但当颗粒浓度太大时,颗粒群将不能着火成功。气相中氧气浓度对着火的影响很小,特别是颗粒浓度大的情况,氧气浓度对着火几乎没有影响。辐射源温度和气相初始温度对颗粒群着火的影响很大,两者的温度高,则颗粒群着火时间将大大缩短,但当颗粒浓度很高时,气相初温变化对颗粒群着火时间的影响将不再显著。颗粒粒径对颗粒群着火的影响较复杂,颗粒浓度大时,小颗粒颗粒群易于着火,而颗粒浓度小时,大颗粒颗粒群着火时间更短。

粉末燃料冲压发动机头部组织掺混流动数值模拟

为了分析头部结构对粉末燃料冲压发动机内部掺混流动影响,基于某典型粉末燃料冲压发动机构型,设计了双下侧进气式方形头部和圆形头部,采用三维组分输运数值模拟方法,对比分析了方形头部和圆形头部的结构设计对发动机补燃室内部流场的影响。数值模拟结果表明:方形头部在补燃室头部仅形成弱回流区,各截面压力恢复系数沿着燃气流动方向逐渐减小。圆形头部结构产生的流场在对称面处形成类对称的强回流区,使补燃室的流动更益于粉末注入,各截面掺混效率和压力恢复系数均大于方形头部。

以粉末燃料冲压发动机为动力的火星巡航飞行器方案初步研究

为设计以粉末燃料冲压发动机为动力的火星巡航飞行器,研究了飞行器巡航马赫数对进气道动能效率、压比和总压恢复系数的影响,设计的巡航飞行器在火星5 km高度以5 Ma的速度巡航,冲压发动机进气道动能效率为0.88,压比为100,总压恢复系数为0.163;对以硼粉、铝粉和镁粉为燃料的冲压发动机进行了理论性能计算,选择镁粉作为冲压发动机的燃料,发动机的氧燃比约为10;研究了飞行器初始质量、升阻比和燃料质量比对巡航航程的影响,当升阻比为1的飞行器质量大于500 kg、燃料的质量分数大于0.5时,飞行器的巡航航程超过1000 km。

粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响

粉末燃料供应系统是实现粉末冲压发动机流量调节的最关键技术,供应系统的优劣直接影响发动机性能,也是需要解决的主要问题之一。本文运用欧拉连续介质方法对粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响进行研究,探究流量调节过程中等固气比调节对流化的影响,分析粉末在存储罐、流化区域、出口管路上的分布规律。通过分析等固气比调节的输出粉末质量流量变化规律、粉末分布、罐体气相压降判断粉末流化效果的优劣,进而完成粉末燃料典型流化装置流量调节对流化影响的研究。结果表明,随着输入粉末质量流量的增大,粉末供应到达稳定供应状态的时长逐渐减小;输入粉末平均质量流通量在12732.4~16976.5 kg/(m2·s)的设计工况,到达稳定供应状态需要的时间短,是较为理想的输入粉末质量流量的设计工况;粉末燃料供应系统为欠阻尼系统,供应系统开机后推力增加的过程中,阻尼振荡频率随着输出粉末质量流量的增大而增大;在到达稳定前,流化区域形成的旋流影响范围先增大再变小后保持稳定(或者消失),旋流具有稳定粉末供应的作用。

不同粒度级配的硼基粉末燃料装填特性和流动性

为了阐明粒度级配对粉末燃料装填特性和流动性的影响规律,提高粉末冲压发动机工作性能,以硼基粉末燃料为对象,研究了颗粒物性和级配方式等对粉末燃料装填特性和流动性的影响,并利用粉末供给系统验证了级配粉末的流化输运性能。结果表明,大粒径颗粒间隙中填充小粒径颗粒能够提升装填密度,但却会降低其流动性;多级级配粉末中的小粒径颗粒流动性较差时,预混装填方式的级配颗粒装填密度高于分批装填方式,反之则分批装填方式更好;团聚造粒制备的硼基粉末燃料粒度分布均有分形分布特征,分形级配的方式也可以提高颗粒装填密度,提升幅度约15.7%,分形级配后分形维数为2.33,装填密度为0.957g/cm^(3),装填率为53.8%,并保持较好的流化性能。

不同粘合剂改性硼基粉末燃料点火燃烧特性

使用重结晶及挤出滚圆的方法,制备了硼基粉末燃料,初步分析了GAP含量对粉末燃料形貌的影响。结果表明,提高GAP含量,可显著降低颗粒之间的粘聚现象,改善颗粒形状规则程度,其含量达到30%时,颗粒粒径较大、形状规则,流化性能好。在此基础上,通过点火燃烧实验研究了HTPB和GAP作为粘结剂对燃料的点火燃烧过程的影响。结果表明,相同含量下,GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间明显低于HTPB团聚硼粉样本的点火延迟时间,10%GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间远低于10%HTPB团聚的硼粉。随着GAP含量由10%提升到30%,硼基粉末燃料的平均点火延迟时间由100.7 ms缩短至45.1 ms,当GAP含量达到30%时,GAP热解产生的大量燃气会促进样本内硼颗粒在空间的离散,使硼颗粒与氧气有着更好的接触,从而在更短的时间内燃尽。

粉末燃料高效装填技术研究

分析了理想球形颗粒的堆积规律,发现粉体空隙率与粒径大小无关,仅与排列方式有关;多级配混合粒径装填会减小粉体的空隙率,且级数越多,粉体空隙率越小;颗粒在紧密堆积状态下排列方式不唯一,是多种密排形式的组合。研究了非理想颗粒的堆积规律,发现实际粉体颗粒间的干扰和干涉作用对颗粒装填率影响较大,颗粒形貌越不规则,粉体的装填率越小;颗粒越细小,则吸附力越大,粉体的装填率越小。基于以上分析,提出了理想的最紧密装填理论,确定了在多级配装填料中颗粒级数、粒径比以及各级颗粒的含量比例。最后,提出了一种简单有效的粉末燃料高效装填方法,通过实验验证,此方法可将粉末燃料的松装密度提高近10%。

粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究

在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设扰流锥体,并针对扰流锥体不同结构外形和位置对流场中离散相颗粒浓度的影响进行了计算分析,总结出了冷态下扰流锥体对外流场颗粒浓度分布的影响规律。

硼基粉末燃料预处理及热氧化特性分析

基于理论分析的方法,确定了硼基粉末燃料预处理材料的选择和用量,然后开展了硼基粉末燃料预处理实验,并对预处理所获得的硼基粉末燃料表面形貌等进行了分析。在此基础上,利用热重分析试验台,对改性硼基粉末燃料在空气气氛中的热氧化特性进行系统研究,分析了不同改性硼基粉末燃料的热反应特性。研究表明,相比传统液体和固体冲压发动机,硼基粉末燃料冲压发动机具有比冲和密度比冲的优势,且能在较大的空燃比范围内维持较高的燃烧室温度,有利于发动机的稳定工作。硼基粉末燃料中镁的加入,可有效降低粉末燃料的点火温度,并提高硼的氧化程度。

镁颗粒群着火和燃烧过程数值模拟

建立了一维非稳态球形镁颗粒群的着火燃烧模型,数值模拟镁颗粒群的着火和燃烧过程,研究表明,颗粒群着火首先发生在颗粒群边界,随后初始的燃烧火焰会分离为两个,一个向颗粒群内部传播,一个向外部传播,最终内部火焰消失,外部火焰维持并控制着整个颗粒群的燃烧;内火焰向颗粒群内部传播过程中,传播速度会逐渐加快,且火焰温度值呈逐渐降低趋势.分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火燃烧的影响.随颗粒浓度的增大,颗粒群着火时间略有增长,但火焰传播速度更快,燃烧稳定时火焰球尺寸也更大.颗粒群初温越高,则颗粒群着火时间越短,火焰传播速度也会加快,但燃烧稳定时火焰球尺寸基本不变.环境温度对颗粒群着火燃烧的影响较复杂,环境温度越高,颗粒群着火时间越短,但火焰传播速度却越慢,燃烧稳定时火焰球尺寸变化很小.颗粒粒径和辐射源温度对颗粒群着火燃烧的影响较显著,颗粒粒径越小或辐射源温度越高,则颗粒群着火时间越短,火焰传播速度越快,燃烧稳定时火焰球尺寸也越大.数值模拟结果与文献中试验结果相一致.

镁颗粒群非稳态着火过程数值模拟

建立了镁颗粒群着火的一维非稳态有限影响体模型,数值模拟颗粒群中镁颗粒的着火过程.研究表明,当镁颗粒表面反应加剧之后,颗粒相温度急剧上升,迅速达到着火,而其周围气相的温升速率却远小于颗粒的温升速率;在着火过程中气相温度只在颗粒表面附近升高比较明显,整体温度升高不大.分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火的影响.随颗粒浓度的增加,颗粒群变得易于着火,其着火时间变短,但颗粒浓度增大到一定程度后,继续增大该值将对颗粒群的着火起消极作用.环境压力对颗粒群着火的影响比较小,在1—5 atm范围内颗粒群的着火性能基本不变.气相中氧气浓度对颗粒群的着火性能影响也不显著,但当氧气浓度过小时,对着火过程的影响将大大增强.颗粒粒径、气相/颗粒相初温、辐射源温度对颗粒群着火的影响巨大,小粒径、高温度促使颗粒群快速着火.数值模拟与文献中试验结果的变化趋势相一致.