基于流-固耦合的混合火箭发动机固体燃料表面退移速率计算

基于流-固耦合的方法,在充分考虑混合火箭发动机工作过程中诸多复杂物理过程的基础上,建立了一个可适用于不同工作状况下混合火箭发动机固体燃料表面退移速率预示的计算模型。计算结果与实验数据的对比验证了所建立计算模型的准确性。对模型发动机进行模拟的结果表明,混合火箭发动机中的燃烧、流动及固体燃料表面的退移速率具有明显的不均匀性,发动机中的固体燃料表面的退移速率沿轴向近似地呈“W”形状的曲线变化;在混合发动机中,突扩形状的预燃室和补燃室有利于燃料热解气体和氧化剂气体的扩散混合,可以强化对固体燃料表面的换热,提高固体燃为表面的退移速率。

固液发动机固体燃料瞬态退移速率

为了研究固液混合火箭发动机中固体燃料退移速率在发动机工作过程中的变化特性,基于固液混合火箭发动机的工作特点,利用燃烧流动与固体区域传热耦合计算以及动网格技术,建立了固液混合火箭发动机固体燃料瞬态退移速率预示的数值模型,并对某带预燃室、补燃室以及扰流环结构的模型发动机进行了研究。计算结果表明,固体燃料热解表面的温度以及退移速率随着发动机的工作逐渐降低;在同一时刻沿发动机轴线燃料热解表面上各点的退移速率以及温度不同;扰流环可以提高它后面局部区域固体燃料的退移速率以及表面温度。

H_2O_2-PE固液火箭发动机燃料退移速率研究

建立了 H2 O2 - PE固液火箭发动机中含有液体层的燃料热解模型 ,分析了影响 PE燃料热解的热环境。利用动坐标变换建立了燃料表面热解退移的一维瞬态导热微分方程 ,并与燃料表面的能量平衡方程耦合 ,得到了 PE燃料的退移速率。分析了影响 PE燃料热解退移速率的各种因素和燃料表面液体层对发动机可能造成的影响。计算的 PE燃料退移速率与法国

含石蜡燃料的能量特性和退移速率测试

含石蜡燃料是固液混合火箭发动机的理想能源,采用最小自由能法在富氧、富燃和最佳氧燃比条件下对组分含量不同的含石蜡燃料和端羟基聚丁二烯（HTPB）燃料进行能量特性计算,利用固气矩形混合发动机测试含石蜡燃料和HTPB燃料的退移速率.能量特性计算结果表明：在相同组分配方下,加入AP使燃料中含氧量增多、最佳氧燃比和比冲降低,加入Al能提高燃烧室温度和密度比冲;在相同氧燃比下,含石蜡燃料和HTPB燃料的比冲基本相同.退移速率实验结果表明：在氧气质量流率从25 g·s^-1增加到40g·s^-1时,石蜡燃料的退移速率从0.79 mm·s^-1增加到1.11 mm·s^-1,HTPB燃料的退移速率从0.47 mm·s^-1增加到0.68 mm·s^-1;石蜡燃料的退移速率约为普通HTPB燃料的1.58 ～1.74倍.

氧化剂质量通量对固液火箭发动机中固体燃料退移速率的影响

针对采用硝酸／HTPB型推进剂的固液混合火箭发动机，采取数值方法研究了氧化剂质量通量对固体燃料热解表面退移速率及换热的影响。研究表明，固体燃料热解表面轴向平均对流换热热流密度、总热流密度以及退移速率与氧化剂质量通量的n次方近似成正比，n的值介于0．6～0．7之间；固体燃料热解表面的辐射换热热流密度近似与氧化剂质量通量成正比；随着氧化剂质量通量的增加，辐射换热占总换热量的比例逐渐增加，增加幅度逐渐减小。

流动参数对固液发动机燃料退移速率的影响

建立了固液混合火箭发动机流场与固体燃料之间热流固耦合计算的数值模型,通过模型指出建立燃料表面温度与退移速率之间的函数关系是耦合计算的唯一途径。针对二维平面燃烧情况,计算了入口氧化剂平均速度、几何斜面角度,以及燃面曲率对退移速率的影响。通过计算可知,提高氧化剂流速可提高退移速率;燃面与氧化剂的夹角只影响局部流动,对退移速率影响不大;沿着流向的燃面曲率影响较大,是提高退移速率的有效途径。

聚甲基丙烯酸甲酯在固体燃料冲压发动机中的燃面退移速率影响因素研究

采用数值计算与实验研究相结合的方法,对聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)在固体燃料冲压发动机中的燃速影响因素开展了研究。重点分析了来流空气质量通量和固体燃料装药内径对PMMA燃料平均燃速和局部燃速的影响。研究表明:固体燃料表面的温度、热流密度和局部燃面退移速率沿轴线方向均呈现先逐渐增大后逐渐减小的趋势,极值出现在回流区末端的再附着点附近;固体燃料表面的局部燃面退移速率随装药内径增大而减小,但随空气质量通量的增大而增大;燃料平均燃速与来流空气质量通量呈幂函数递增关系,与固体燃料装药内径呈幂函数递减关系;数值计算和实验得到的影响变化规律吻合较好,但计算值比实验值稍微偏高,最大误差不超过10%.研究结果对固体燃料冲压发动机燃烧室的优化设计具有重要的参考价值。

镁粉含量对HTPB燃料热解及退移速率影响研究

为了研究添加不同质量分数的镁粉对端羟基聚丁二烯(HTPB)混合推进燃料燃烧性能的影响,针对含质量分数为5%,10%和15%的20μm粒径镁粉的三种HTPB配方燃料开展了热重-差热(TGDSC)分析,并且利用高速摄影法在1MPa下测试了这三种配方燃料在气态氧气流(GOX)中的燃烧性能。研究结果表明:在氧化剂质量密流为370kg/(m2·s)时,相对于纯HTPB燃料,这三种配方燃料燃面的退移速率分别增长了75.61%,142.46%和173.42%。结论显示燃料燃面的退移速率与添加镁粉的质量分数二者之间呈现正比例关系。

固液混合发动机燃面退移速率提升途径研究进展

从经典的燃烧边界层理论出发,通过对高分子聚合物燃面退移速率理论表达式的讨论分析,提出降低固体燃料热分解气化所需热量和强化高温燃气向燃面传热均是燃面退移速率提升的技术途径,进而从燃料配方优化、燃气流动优化和采用液化燃料三个方面综述了国内外在燃面退移速率提升方法上所做的有益尝试,并对这些方法的优缺点进行了评述,可为后续燃面退移速率提升技术研究提供必要参考。

MA/HTPB/石蜡燃料燃面退移速率测试方法及调节研究

自行搭建了Φ50mm固液混合发动机实验系统,用于燃料燃面退移速率的测试及燃料筛选;表征了称重法求燃面退移速率的可靠性,尝试了中断燃烧法求燃料燃面退移速率公式的技术;研究了AP/TBF和纳米铝粉对MA/HTPB/石蜡燃料燃面退移速率的影响。实验结果表明:本实验系统用于测定燃料的燃面退移速率可行,误差低于5%;中断燃烧法可快速、经济、真实地获得燃面退移速率公式;AP/TBF和200nm Al均可大幅度提高MA/HTPB/石蜡燃料的燃面退移速率和密流指数n。气氧的密流Gox=150kg/(m2·s)时,含AP/TBF燃料的燃面退移速率比基础配方提高0.319mm/s,增幅为25.2%;含5wt%200nm Al燃料的燃面退移速率增加0.188mm/s,增幅为14.9%。

基于动网格技术的固体燃料冲压发动机燃面瞬态退移速率研究

为了研究固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃面退移速率在工作过程中的变化特性,基于发动机工作特点及动网格技术,考虑到燃烧流动及燃料表面的对流、辐射换热与燃料热解退移等过程耦合的影响,建立了SFRJ燃面瞬态退移速率预示方法,并对某带补燃室、以聚乙烯(PE)为燃料的试验发动机的燃烧室-喷管统一内流场进行数值计算,得到在移动边界条件下的瞬态流场分布,并分析了内弹道参数云图及其随时间的变化规律。结果表明,燃烧主要发生在当量比函数φ在-2～2之间的区域;随着发动机工作,燃速逐渐降低,且再附点向下游移动,燃料通道出口处流速和温度有降低趋势;此外,在小型发动机工作初期,燃料通道尾部出现类似固体火箭发动机的侵蚀燃烧现象。研究表明,该方法能成功求解发动机复杂的非定常工作过程,较好揭示燃面退移过程。所得结论对发动机设计和试验具有一定指导意义。

固液混合发动机燃面退移规律辩识方法

为了以尽可能少的试验对固液混合发动机的燃面退移规律进行辨识,采用在一发试验中适当调节工作参数的方式,并结合瞬时燃面退移速率求解方法,总结出了一套固液混合发动机燃面退移规律辨识方法进行了试验验证,结果表明:采用二维药型的固液混合发动机,通过一发试验即可较准确地掌握其燃面退移规律,还可应用于其它同种类型的固液混合发动机内弹道性能预测。

N_2O/HTPB固液发动机燃烧室结构对药柱燃面退移特性的数值模拟

针对采用N_2O/HTPB推进剂的某固液火箭发动机,分析研究燃烧室长径比、前燃室长度、补燃室长度以及喉径等结构参数对固体燃料热解表面燃面退移速率的影响。通过建立一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的数值计算方法,并经算例验证后,说明此数值模拟方法的合理性和正确性。因此,应用此数值模拟方法分别计算了燃烧室各结构参数对固体燃料热解表面退移速率的影响:药柱长径比对燃面退移速率影响较大,随着药柱内径的不断增大,退移速率逐渐减小;随着前燃室长度的增大,燃面退移速率也相应增加,但幅度较小;而补燃室长度以及喉径对退移速率基本无影响。适当增加补燃室长度,可增强氧化剂与燃料热解气体的掺混效果,从而提高燃烧效率。

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中的关键技术及其发展

根据固液混合火箭发动机的结构特点及工作过程,分析了它所具有的优、缺点。纵观国内、外的研究情况,总结出固液混合火箭发动机中的关键技术和难点,主要包含:(1)发展新的高能固体燃料和氧化剂,提高固体燃料的退移速率;(2)测量工作过程中固体燃料退移速率;(3)研究不同类型固体燃料热解机理及规律;(4)建立固体燃料退移速率的公式;(5)抑制不稳定燃烧;(6)建立缩比准则;(7)发展混合火箭发动机工作过程模拟的数值模型等。分析了国内、外在研究中采用的技术途径、取得的成果,以及今后的发展方向。

石蜡燃料的燃烧性能与其化学组成的关系

为了研究石蜡的燃烧性能与其化学组成之间的关系,针对54~#、58~#、62~#和66~#4种粗晶石蜡开展了气相色谱分析,并测试了4种石蜡的燃烧热和在氧气流中的瞬时退移速率,同时利用N ASA-C EA软件计算了4种石蜡燃料不同氧燃比下的能量特性。结果表明:54~#、58~#、62~#和66~#4种粗晶石蜡的平均分子式分别为C_(26.40)H_(54.80)、C_(27.59)H_(57.18)、C_(28.02)H_(58.04)和C_(32.11)H_(66.22),正构烷烃含量分别为92.79%、89.44%、88.36%和84.55%;平均碳数n越大、正构烷烃含量越小的石蜡其燃烧热越低;随着平均碳数n值的增大以及正构烷烃含量的降低,石蜡的退移速率降低。NASA-CEA程序计算得到4种石蜡的能量特性受其化学组成的影响很小,其最佳氧燃比均为2.7,对应的理论比冲约为354 s,绝热火焰温度约为3600 K。

固液混合推进石蜡燃料的性质及燃烧性能研究

石蜡燃料具有高退移速率和低成本的特性,是理想的固液混合推进剂燃料。为了研究不同石蜡燃料的性质对燃烧性能的影响规律,针对54#,58#,62#和66#4种粗晶石蜡和58#,60#,70#和90#4种微晶石蜡开展了粘度分析和TG-DSC热分析,并利用高速摄影法测试了8种石蜡在氧气流中的燃烧性能。研究结果表明:8种石蜡燃料的退移速率与氧气质量密流之间均满足幂函数关系,幂函数系数分别为0.0521±0.0012,0.0479±0.0008,0.0444±0.0010,0.0394±0.0007,0.0459±0.0009,0.0411±0.0008,0.0385±0.0011和0.0247±0.0007。石蜡的燃烧特性受粘度和熔点的影响很大,熔点越高,其退移速率越低;石蜡熔化液体的粘度越低,其退移速率越高。8种石蜡燃料的平均退移速率分别比HTPB燃料的退移速率高196%,171%,159%,141%,156%,146%,125%和48%。

聚乙烯在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的数值研究

为准确模拟聚乙烯在固体燃料冲压发动机中的燃烧状态,估算了乙烯-空气两步反应中,相关组分的粘性、导热系数随温度的变化,并进行多项式拟合;同时使用UDF进行质量、动量、能量添加。数值计算的结果表明:燃面退移速率的计算误差不超过11.3%,其变化规律与已有实验相同;补燃室温度的误差不大于5.2%;补燃室温度随来流空气质量流率的增大而减小;高来流空气总温或低来流空气质量流率的工况下,燃料充分燃烧所需的补燃室更长;几何相似,其它条件相同时,小尺寸发动机内流场传向燃料表面的热流密度更大,燃面退移速率更高。

PE在固体燃料冲压发动机中的燃烧特性实验研究

为研究聚乙烯（PE）在固体燃料冲压发动机（SFRI）中的燃烧特性，在不同来流空气质量流率和突扩比条件下进行了SFRJ直连式实验研究。得到不同实验条件下燃烧室压强、补燃室压强、补燃室温度随时间的变化规律以及固体燃料平均燃面退移速率、当地燃面退移速率等重要实验数据。研究结果表明，sFRJ工作过程中燃烧室与补燃室存在压强差，约为0．01—0．02MPa；来流空气质量流率增大，补燃室温度降低；增大突扩比有利于提高补燃室温度；固体燃料平均燃速随着突扩比、来流空气质量流率的增大而增大，且与突扩比呈线性函数关系，与空气质量流率呈幂函数关系。

PMMA在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的数值模拟

为了解PMMA在固体燃料冲压发动机燃烧室内的燃烧特性,采用RNGkε-模型、涡耗散湍流燃烧模型和一阶迎风格式,对以PMMA为燃料的固体燃料冲压发动机燃烧室进行了数值模拟,得到了燃烧室内的流场结构、温度及组分分布。通过比较数值计算结果与国外试验数据,验证了该数值方法的可靠性。研究表明,随着轴向位置的增大,燃料局部退移速率先增大后减小。增大入口空气温度和质量流率,均使平均退移速率近似指数关系增大,燃烧室温度随之增大。此外,与试验值相比,燃料退移速率计算值稍大,可能是有效气化热取常数及2步不可逆反应引起的结果。