铝/水两相自点火实验和理论研究

针对铝/水冲压发动机水蒸气氛围金属燃料点火燃烧机理不明、基础燃烧实验数据缺乏等问题,基于可视化高压激波管实验平台开展了铝/水两相自点火实验和理论研究,从发光强度及火焰图像、自点火温度和点火延迟3种角度表征了铝粉的温度效应、压力效应和尺度效应,揭示了铝/水和铝/氧点火机理的差异性,构建了铝/水自点火温度预示模型。实验结果表明:铝/水点火模式为小粒径颗粒优先着火,再引燃大粒径铝颗粒着火;临界自点火温度与铝颗粒粒径呈现反向依赖关系;点火延迟时间与温度关系符合Arrhenius关系式,颗粒越大,点火延迟的温度敏感性越高;纳米级铝粉点火延迟呈现较强的压力依赖行为,高压下火焰区域更为集中,铝粉颗粒之间竞争氧化剂更加剧烈;铝粉点火延迟的尺度效应明显,1500K下50.0μm粒径铝粉点火延迟时间约为100nm粒径铝粉的30倍。研究结果表明,铝/水自点火特性优于铝/氧,所构建的铝/水模型对微米颗粒自点火温度的预测值与文献实验值偏差较小。该研究的基础燃烧数据和点火机制理论分析可为铝/水冲压发动机的燃烧组织优化及燃烧室结构设计提供理论依据,为铝/水点火机理和模型的发展提供研究思路。

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。

水冲压发动机补燃室铝水燃烧分析

铝粉在水蒸气中燃烧时间的测定是非常复杂和困难的,文中对几种燃烧模型进行了对比计算。结果表明,各种模型的计算结果相差较大。在对比分析的基础上,采用了Brooks模型来计算燃烧时间,并由此获得了颗粒轨道模型中所需的计算参数。对某试验发动机的补燃室流场进行计算,获得的温度场与试验结果相吻合,说明这种处理方法是合理的。所建立的水冲压发动机补燃室的数值模型为补燃室燃烧组织的深入研究提供了参考。

金属/水反应膏体燃料冲压发动机供应系统研究

文中以建立新型超高速航行体动力能源供应系统为目的,首次提出以金属粉末膏体燃烧剂为推进剂,供应系统以挤压供应方式的构想。应用化学热力学、固体火箭发动机和液体火箭发动机原理,建立了数学模型,并对铝粉末和铝、镁粉末混合燃料的燃烧性能进行了仿真计算,计算结果表明:采用铝、镁粉末混合燃料为推进剂构成金属水反应燃料冲压发动机的能供系统方案是可行的。

高铝含量推进剂水冲压发动机内流场计算

采用热力计算与数值仿真计算相结合的方法,对高铝含量推进剂水冲压发动机内流场进行了计算,并对温度、比冲等参数进行了对比分析。分析结果表明,数值仿真结果与热力计算结果能够较好地吻合,通过热力计算可以对发动机和推进剂的能量特性进行优化,数值仿真计算能够准确地反映铝基金属燃料水冲压发动机内流场的分布规律,对高铝含量推进剂水冲压发动机的设计具有指导意义。

铝基金属燃料水冲压发动机内流场数值模拟

基于颗粒表面反应模型模拟铝金属在水冲压发动机内的燃烧与流动过程,应用Fluent软件建立了铝基金属燃料水冲压发动机两相流反应模型,对某2次进水反应的水冲压发动机进行数值模拟,得到了发动机内流场的分布规律。对燃烧室温度、组分分布、颗粒相分布等结果进行了分析,结果表明,1次入水主要为铝/水反应提供氧化剂,铝/水反应产生大量的热量,使得燃烧室温度较高,2次入水的水液滴吸热汽化,形成水蒸汽,既降低了燃烧室的温度又为发动机提供了气相工质。