固体火箭超燃冲压发动机燃烧特性分析

文中利用数值模拟研究了不同来流条件下固体火箭超燃冲压发动机的燃烧特性.采用基于密度的二阶迎风格式对发动机内流场进行模拟,湍流模型与燃烧模型分别采用SST k-ω模型与涡团耗散模型.结果表明,随来流马赫数的增大,火焰温度与最大化学反应速率均增大;燃烧效率随来流马赫数的增大而减小,且燃烧效率低于50％;燃烧效率的减小导致补燃室的推力与比冲下降.随来流马赫数的变化,应适当调节富燃燃气流量,以保证发动机的燃烧性能.     

带有钝体的弹用固体燃料冲压发动机工作性能

为发展一种弹用高性能冲压发动机,提出了在补燃室带有钝体的发动机设计方案,并数值计算对比分析了补燃室有无钝体方案下的内流场、燃烧效率、推力、比冲与总压损失。结果表明：钝体后部孔隙外侧有两个漩涡,孔隙内的高速气流与下部漩涡在一定程度维持了尾迹的稳定性,能够保证冲压发动机工作的平稳性;与参考固体燃料冲压发动机（不带钝体结构方案）相比,在补燃室中增加钝体能提高补燃室下游燃料与空气的掺混效果与温度,当进气质量流率为0.3 kg/s时,可使发动机推力和比冲提高约16.21%、燃烧效率提高约20.50%,但此增益效果会随着空燃比的增大而减小;当燃烧效率相同时,在补燃室中增设钝体,可以有效地缩减冲压发动机长度,为其他部件提供安装空间。     

补燃室长度对固冲发动机性能的影响分析

采用CFD数值仿真研究固体火箭冲压发动机补燃室长度对其燃烧和流动的影响。仿真结果表明,补燃室中的损失主要是掺混损失和流动损失,当补燃室长径比较小(l/d<11.0)的时候掺混燃烧损失较大,补燃室出口温度均匀度较低,整个发动机性能不高。随着补燃室长度增大掺混燃烧逐渐均匀整个发动机性能达到最大,随着补燃室长度进一步增加,流动损失增大,发动机性能有所下降。同时增加补燃室长度可以得到均匀的补燃室出口流场,进而使发动机喷管的损失有所降低。     

可变流量固冲发动机一体化流场研究

以某可变流量固冲发动机为研究对象,建立进气道/补燃室一体化流场数值模型,结合地面直连试验,研究了空燃比对固冲发动机性能和流场结构的影响。结果表明:导弹飞行状态不变,减小空燃比可有效提高固冲发动机的推力但比冲减小,导弹射程减小;大空燃比调节时,补燃室内流场结构未发生显著变化,空燃比减小到7时,大量燃气沿补燃室中上部流动;空燃比减小使进气道的结尾激波向上游推移,进气道裕度减小。     

补燃室头部距离对固冲发动机二次燃烧的影响

补燃室头部距离是影响固体火箭冲压发动机二次燃烧效率的关键参数,采用数值模拟的方法研究分析了该参数对固体火箭冲压发动机二次燃烧效率的影响,数值结果与同等条件下实验结果的对比分析表明：补燃室头部距离的增大,可增大头部的漩涡区,从而使固相颗粒在补燃室头部的驻留时间得以延长,这对固相颗粒的点火燃烧十分有利,但对提高整个补燃室掺混燃烧效率的作用有限,因此补燃室长度一定的情况下,存在一个最佳的头部距离。     

燃气侧喷冲压发动机补燃室两相流流场计算

利用PDF模型和颗粒轨道模型,对燃气侧喷冲压发动机补燃室两相流流场进行三维数值模拟,其中铝颗粒的燃烧模型采用蒸发扩散模型.考虑颗粒直径、空燃比和颗粒含量的影响,得出了产物组分、温度等发动机参数的变化趋势.结果表明,由于燃气侧喷发动机结构特殊,具有两处扩散火焰峰面,随着液滴颗粒直径的增大,燃烧效率降低,出口温度下降;空燃比越大,燃烧效率越低;随着颗粒含量的增加,颗粒燃烧绝对质量增加,燃烧效率降低.     

固体冲压发动机补燃室结构参数对掺混燃烧效率的影响

以双下侧进气道式固体火箭冲压发动机为研究对象,建立三维补燃室内流场数值模型,采用正交试验设计,计算分析3个补燃室结构参数对二次燃烧效率的影响,并结合地面试验验证了数值仿真的可行性。通过极差分析,得到了各结构参数对燃烧效率的影响趋势以及最优水平搭配。经过方差分析,得出各个结构参数对燃烧效率影响的显著性,其中补燃室长度的影响是高度显著的。     

空燃比对固冲发动机二次燃烧的影响研究

为有效的组织固体火箭冲压发动机的二次燃烧,采用标准二方程模型、EDM(eddy-dissipation-model)模型和粒子燃烧King模型,对二元双下侧进气式固体火箭冲压发动机补燃室三维两相流进行了数值模拟。得到了不同空燃比条件下补燃室内流场参数的分布规律并对其进行了初步分析。结果表明:在一定范围内空燃比的变化会引起补燃室各参数分布的变化,从而显著影响固冲发动机二次燃烧。     

环向进气固体火箭冲压发动机补燃室流场数值模拟

文中采用标准κ-ε双方程湍流模型数值模拟一种环向进气的固体火箭冲压发动机补燃室的掺混燃烧过程．考虑了补燃室的出口反压、空燃比和燃气喷射角度等设计参数对燃烧流场的影响．结果表明：增大出口反压和空燃比．有利于补燃室内掺混和燃烧的进行;增大燃气喷射角度．补燃室头部温度升高,燃料停留时间增大,对燃烧流场特性影响不大。     

凹腔对含硼固体火箭超燃冲压燃烧特性的影响

凹腔常用来增强超燃冲压发动机中空气与燃气掺混、提升火焰稳定性及燃烧效率,然而超音速燃烧室内的燃气流场特性依赖于凹腔结构及其分布。为优化凹腔结构及其分布,提升固体火箭超燃冲压发动机补燃室内的燃烧性能,采用数值方法计算分析凹腔长深比、后倾斜角对含硼固体火箭超燃冲压发动机燃烧特性的影响。计算结果表明：在凹腔长度不变时,取凹腔长深比分别为5.00、3.75、3.00、2.50、2.18、1.85、1.67,硼颗粒燃烧效率与比冲随着长深比减小先增大、后减小,在长深比为1.85时最大;当凹腔长深比为1.85、凹腔后倾角从90°变化到175°时,随着凹腔后倾角增加,硼颗粒燃烧效率增加,175°时燃烧效率最大,但其总压恢复系数及比冲最小,比冲在165°时最高。     

喷管对连续旋转爆轰涡喷组合发动机性能影响的数值研究

采用共轴环包式双燃烧室模型,通过数值模拟探讨了尾喷管结构参数对连续旋转爆轰涡喷组合发动机燃烧室及喷管流场结构和性能的影响。采用40%富氧空气为氧化剂,煤油蒸气为燃料,物理模型由外环内径93 mm、外径113 mm、长度85 mm的环形旋转爆轰燃烧室和内腔直径83 mm、长度85 mm的共轴涡喷中心流道组成,计算域包括带有共用等直喷管、独立等直喷管以及2种不同收缩比的拉法尔喷管的连续旋转爆轰涡喷组合发动机的燃烧室和喷管流场。数值结果表明：旋转爆轰燃烧室在发动机带有不同尾喷管时均能够形成稳定自持传播的爆轰波,不同喷管构型对爆轰燃烧室内的流场结构与参数影响较明显。相比于独立等直喷管,对于爆轰波峰值静压与波速的影响上拉法尔喷管起到有效的提升作用,但收缩比的增加会导致预混气喷注不均匀,影响爆轰波自持传播的稳定性;共用等直喷管则轻微地降低了爆轰波峰值静压与传播速度,提高了预混气喷注区域和波头的高度。在该文所选工况下,较大收缩比的拉法尔喷管能明显地改善喷管出口的状态,对发动机的推力与燃料比冲提升最显著,高达16%。     

高速冲压推进动能弹自点火工作过程数值模拟研究

为了研究高速冲压推进动能弹在自点火过程中的工作特性,数值模拟了基于聚乙烯为固体燃料的高速冲压推进动能弹自点火过程,分析了自点火过程中的点火延迟时间,喷管出口堵盖打开前燃烧室的流场变化规律,以及堵盖打开火焰稳定后燃烧室流场变化规律和全弹性能。结果表明:高速冲压推进动能弹由于其初始的独特结构(喷管出口堵塞),点火延迟时间短,自点火能够成功进行;堵盖打开前,燃烧室压力发生了剧烈的振荡,并且燃烧室内化学反应增强了振荡效应;堵盖打开并且燃烧室火焰稳定后,高速冲压推进动能弹的额定推力为283 N,净推力为83 N,基于聚乙烯燃料的比冲为9129 m·s-1。     

聚乙烯在高速冲压推进动能弹中的燃烧特性数值模拟

为了研究聚乙烯在高速冲压推进动能弹中的燃烧特性,进行了高速冲压推进动能弹全弹一体化流场的数值模拟研究,分析了冲压发动机工作和非工作时流动特性差异,以及冲压发动机工作时聚乙烯的燃烧和推进特性。结果表明,冲压发动机工作时,燃烧室内压力均匀,中心轴线平均压力约为2.1MPa。随着轴向距离x的增大,火焰锋面先靠近固体燃料表面后逐渐远离。在再附着点之前,随着轴向距离x的增大,固体燃料的表面温度与燃面退移速率均持续增大,在再附着点附近达到最大值,然后不断减小。在本研究设计的气动构型下,高速冲压推进动能弹产生的额定推力、净推力分别为250N和76N,基于燃料的比冲为10593m·s~(-1)。     

中心锥对液态燃料旋转爆轰发动机工作过程与性能的影响

为分析中心锥对液态燃料旋转爆轰发动机(RDE)工作特性的影响,在环形阵列式RDE上,以汽油/富氧空气为工质,开展了液态燃料RDE实验研究。测量发动机在不同中心锥位置l/L（l为燃烧室内壁面等直段末端与燃烧室外壁面末端的距离,L为燃烧室外壁面长度）和中心锥锥角θ时的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明：改变l/L和θ未对旋转爆轰波传播模态产生影响,各工况下旋转爆轰波均为双波对撞模态;受预爆轰管切向喷注孔的影响,双波对撞点无法稳定于预爆轰管出口附近;爆轰波传播速度和频率随中心锥位置的前移呈下降趋势,当l/L=0%、θ=20°时,推力和燃料比冲分别为951.6 N和1 151.8 s, 为所有实验工况中最大值;随着l/L或θ增大,爆轰产物轴向膨胀距离变短,中心锥头部突扩位置处膨胀波影响增强,外流场中心锥型面约束作用减弱且高温燃气径向膨胀增强,发动机出口高温燃气轴向分速度逐渐减小,发动机推力和燃料比冲逐渐减小;当l/L>25.5%或θ>40°时,受熄爆再起爆和膨胀波增强影响,发动机推力和燃料比冲下降速率增大。     

氢氧推力室喷管超声速气膜冷却参数研究

某型氢氧推力室喷管延伸段采用超声速气膜冷却,在面积比35处引入涡轮排气作为冷却气体。通过采用数值模拟的方法,研究了唇高、吹风比、冷却剂流量和静压比等参数对气膜冷却效果和比冲的影响。结果表明:随着唇高的增大,推力室的比冲和推力略微降低,而冷却效率和壁温几乎不变;在主射流压力匹配且射流量一定的条件下,吹风比增大可以轻微地提高气膜冷却效果和发动机比冲;在压力匹配且吹风比一定的条件下,射流量增加可以提高气膜冷却效果;在射流量一定的条件下,主射流压力匹配时,气膜冷却效果最佳,发动机比冲最高。     

某柴油机燃烧系统数值仿真及改进设计研究

以某高升功率柴油机燃烧系统为研究对象,首先采用AVL-Fire软件对燃烧过程进行了三维数值仿真,分别采用WAVE模型、Dukowicz模型以及旋涡破碎(EBU)模型描述雾化、蒸发以及燃烧过程。采用k-ε双方程湍流模型描述湍流流动,数值结果与实验值对比验证了所采用计算模型的合理性,然后对原型机燃烧过程中的三维流动、传热以及燃油分布状况展开分析,得到了原型机燃烧系统的不足之处,在此基础上,根据高升功率柴油机对燃烧过程的要求,对燃烧室结构进行改进设计,并进行相应的三维数值仿真。改型前后的燃烧系统数值结果对比表明,燃烧室形状对燃烧系统的性能影响很大,改型后的燃烧系统在燃烧组织方面得到显著改进,放热率与有效功率得到明显提高。     

当量比对煤油-空气两相旋转爆轰波的影响

为研究当量比对煤油-空气两相旋转爆轰波的影响,基于欧拉-拉格朗日方法,以常温液态煤油为燃料、高总温空气为氧化剂开展二维数值模拟。通过控制进油量计算不同当量比下的两相旋转爆轰流场,分析当量比对流场结构、传播特性和推力性能的影响。分析结果表明：在一定的当量比范围内,爆轰波波头高度随着当量比的增大而减小;当量比大于0.6时,速度亏损随着当量比的增大总体呈现增加的趋势,变化范围为7.1%~17.2%;当量比大于0.8时产生燃料损失,燃料损失随当量比的增大呈近似线性增加,当量比为2.0时最大为51%;随着当量比的增大,比冲减小,比推力先增大后减小并在当量比为1.5时达到最大值,比冲和比推力的变化范围分别为1 154.3~ 3 912.4 s和1 226.8~1 521.8 N·s/kg。     

基于乙烯/空气详细反应机理的旋转爆轰过程数值模拟

为了研究乙烯/空气的旋转爆轰传播特性,采用OpenFOAM7中rhoReactingCentralFoam求解器,以及乙烯/空气21组分36步基元化学反应模型,对旋转爆轰传播过程进行了二维数值模拟研究。通过改变预混气各组分的质量分数,验证了基元反应在旋转爆轰的可适用性,研究了当量比对旋转爆轰波的影响,分析了旋转爆轰燃烧室的流场结构、压力增益和燃料比冲。研究结果表明：在当量比0.7～1.1范围内旋转爆轰波能够自持传播,其传播模态均为单波;在来流总压0.6 MPa和总温300 K时,压力增益均保持在30%以上,且随当量比的增加旋转爆轰波传播速度、阻塞比、压力增益以及燃料比冲均增大,速度亏损逐渐减小,但随着当量比的增加其增长速率和降低速率呈下降趋势;爆轰波稳定传播时,中间产物OH集中在爆轰波后方和斜激波下游,反映了化学反应阵面的形状。爆轰波传播过程中,由于爆轰波扫过后压力过高,新鲜燃料无法供应,导致温度曲线图出现波动。