含硼推进剂固体火箭冲压发动机补燃室工作过程研究

论文摘要

为适应新一代导弹技术的要求,固体火箭冲压发动机所用的推进剂将向高能化方向发展,添加金属燃料是高能推进剂当前的一个重要发展方向。同其它金属燃料相比,硼以其较高的质量热值和容积热值被认为是推进剂的最佳燃料,由此引起了对含硼富燃料推进剂的广泛深入研究。含硼富燃料推进剂含有较多的硼颗粒,在燃气发生器中由于缺氧和低温而不可能充分点火燃烧,因此,含有大量硼颗粒的富燃燃气是在补燃室中与空气掺混完成燃烧的。而颗粒在补燃室内的停留时间只有几个毫秒,在这么短的时间里必须很好地组织二次燃烧才能达到较高的燃烧效率。这也是含硼推进剂固体火箭冲压发动机能否进入型号研制的关键问题之一。通过国内外众多科学家与工程师们多年的不懈探索,目前己取得了一些研究成果,但这些成果尚不足以帮助人们清晰理解含硼推进剂固体火箭冲压发动机的工作过程,有必要就此问题继续开展深入细致的研究。本文采用数值模拟和直连式试验等方法,系统研究非壅塞固体火箭冲压发动机燃气发生器喷管和进气道结构参数对补燃室内空气与富燃燃气的掺混和二次燃烧过程的影响,探索提高发动机性能的途径,并为固体火箭冲压发动机设计提供理论依据和指导。针对颗粒在补燃室内通常都会受到高速气流作用的特点,建立了固体火箭冲压发动机补燃室内硼颗粒点火和燃烧的理论模型。采用液滴破碎的附面层理论,研究带有液态氧化层的硼颗粒在高速气流中的气动剥离现象,分析了气流与颗粒表面之间的相互作用,并对King的硼颗粒点火模型进行修正,建立了高速气流中硼颗粒点火模型,研究了温度、压强、硼颗粒初始半径、氧气摩尔分数、水蒸汽摩尔分数等参数对硼颗粒点火过程的影响。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧过程建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的表达式,并进行求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。开发了一个可适用于含硼推进剂固体火箭冲压发动机补燃室内三维两相湍流燃烧流动数值模拟的计算程序。对补燃室内燃烧流动过程进行了数值模拟分析,得出了补燃室内的流场结构和特征,系统研究了发动机工作状态以及燃气发生器喷管和进气道结构参数对含硼推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响,为合理设计补燃室结构指明了方向。进行了一系列的缩比发动机直连式试验研究,系统研究了燃气发生器喷管和进气道结构参数对含硼推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响。通过试验结果与数值模拟结果的对比,验证了本文开发的三维两相湍流燃烧流动过程数值模拟计算程序的准确性。采用直连模拟理论计算研究了常用加热空气的燃料氢气、煤油、甲烷和酒精等燃烧造成的污染空气对地面模拟试验中固体火箭冲压发动机性能的影响,计算中所用推进剂配方与实际试验时相同。从污染空气对发动机真空比冲相对偏差的影响分析可得,污染空气对发动机性能的影响很小。采用二维开窗式固体火箭冲压发动机试验系统,对补燃室内的燃烧现象进行观察,以火焰图像的形式直观形象地描述了进气道位置对补燃室内燃烧过程的影响。并通过高速数字摄影仪摄取补燃室内部某个时刻瞬时火焰图像,借助于光学理论和计算机图像处理技术计算出整个补燃室内部的温度分布,开创了固体火箭冲压发动机补燃室温度测量的一个新方向。由于影响补燃室燃烧效率的因素很多,且各因素对燃烧效率的影响很难用精确的解析函数式来表示,本文提出了选用基于正交多项式的响应面方法来解决含硼推进剂固体火箭冲压发动机补燃室结构优化问题。采用该方法后,只进行了十八次数值模拟,就完成了影响燃烧效率的七个补燃室结构参数的优化组合,为固体火箭冲压发动机补燃室结构参数的优化设计提供了一种新方法。

论文目录

• 目录
• 插图目录
• 插表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究工作的背景与意义
• §1.2 国内外相关研究综述
• 1.2.1 固体火箭冲压发动机应用研究
• 1.2.2 硼颗粒点火和燃烧研究
• 1.2.3 固体火箭冲压发动机燃烧流动数值模拟研究
• 1.2.4 固体火箭冲压发动机试验研究
• §1.3 本文主要研究内容
• 第二章 补燃室内硼颗粒点火和燃烧过程理论研究
• §2.1 引言
• §2.2 补燃室内硼颗粒点火过程理论研究
• 2.2.1 气动剥离附面层理论分析方法
• 2.2.2 高速气流中硼颗粒点火模型
• 2.2.3 计算结果及分析
• §2.3 补燃室内硼颗粒燃烧过程理论研究
• 2.3.1 强迫对流条件下硼颗粒燃烧规律理论模型的建立
• 2.3.2 方程组的简化
• 2.3.3 方程组的数值求解方法
• 2.3.4 计算结果及讨论
• §2.4 本章小结
• 第三章 固体火箭冲压发动机补燃室内两相燃烧数值模拟研究
• §3.1 引言
• §3.2 补燃室内两相燃烧流动数值模拟模型
• 3.2.1 气相控制方程
• 3.2.2 颗粒相控制方程
• 3.2.3 湍流模型
• 3.2.4 气相燃烧模型
• 3.2.5 边界条件和初始条件
• §3.3 某发动机补燃室内两相燃烧流动过程数值模拟结果及分析
• 3.3.1 计算边界及网格划分
• 3.3.2 补燃室内流场参数分布
• 3.3.3 燃烧效率分析
• 3.3.4 固体火箭冲压发动机性能分析
• 3.3.5 补燃室压强对发动机性能的影响
• 3.3.6 空气来流总温对燃烧效率的影响
• 3.3.7 空燃比对发动机性能的影响
• §3.4 固体火箭冲压发动机结构对发动机性能影响的数值模拟研究
• 3.4.1 进气道周向方位角对发动机性能的影响
• 3.4.2 进气道进气角度对发动机性能的影响
• 3.4.3 进气道空气出口马赫数对发动机性能的影响
• 3.4.4 富燃燃气喷射马赫数对发动机性能的影响
• 3.4.5 富燃燃气喷射角度对发动机性能的影响
• 3.4.6 突扩性多台阶燃气发生器喷管对发动机性能的影响
• §3.5 本章小结
• 第四章 含硼推进剂固体火箭冲压发动机试验研究
• §4.1 引言
• §4.2 固体火箭冲压发动机直连式试验研究
• 4.2.1 固体火箭冲压发动机直连式试验系统
• 4.2.2 试验固体火箭冲压发动机的设计
• 4.2.3 试验数据处理
• §4.3 直接燃烧加热对发动机地面模拟性能影响的理论分析
• 4.3.1 加热器工作过程分析
• 4.3.2 污染空气对发动机地面模拟性能的影响
• §4.4 进气道结构对燃烧效率影响的试验研究
• 4.4.1 前后进气道轴向距离
• 4.4.2 前进气道后置长度
• 4.4.3 一次进气构型
• 4.4.4 进气道进气角度
• 4.4.5 进气道出口面积
• 4.4.6 前后进气流量比例
• §4.5 燃气发生器喷管结构对燃烧效率影响的试验研究
• 4.5.1 燃气发生器喷管出口数量
• 4.5.2 燃气发生器喷管出口面积
• 4.5.3 收缩性多台阶燃气发生器喷管
• §4.6 二维开窗式固体火箭冲压发动机试验研究
• 4.6.1 二维开窗式固体火箭冲压发动机的设计
• 4.6.2 试验结果及分析
• §4.7 基于数字图像处理的补燃室高温发光火焰温度测量
• 4.7.1 高温发光火焰温度场测量方法综述
• 4.7.2 彩色三基色温度测量原理
• 4.7.3 测量结果及分析
• §4.8 本章小结
• 第五章 固体火箭冲压发动机补燃室结构的响应面优化设计
• §5.1 引言
• §5.2 基于正交多项式的响应面构造方法
• §5.3 基于OPB-RSM的补燃室优化结果及分析
• 5.3.1 试验设计方法
• 5.3.2 发动机补燃室结构的正交试验设计
• 5.3.3 优化结果及分析
• §5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• §6.1 结论
• §6.2 对未来研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献表
• 攻读博士学位期间发表的学术论文