粉末推进剂输送特性及对发动机燃烧振荡影响

发布时间：2020-04-11 21:50

【摘要】：粉末推进剂供给系统作为粉末发动机的核心构件,其推进剂输送稳定性及流量控制精度会对发动机燃烧性能产生直接影响。高压环境下,粉末质量流量调控精度以及输送稳定性受颗粒起动、流化和输送机理的共同影响,同时两相流动稳定性与发动机燃烧振荡之间亦存在耦合关联,其输送和耦合机制均尚未可知,故开展高压环境粉末流化输送及其与发动机燃烧振荡的耦合机制研究,对揭示高压环境两相流动规律以及提高粉末推进剂供给系统设计水平具有重要的学术和工程指导意义。本文主要通过实验研究,引入相应的压强信号分析方法,对高压环境下粉末起动流化特性、气固两相壅塞流动规律以及输送与燃烧振荡耦合关联性等方面进行了深入探讨,所开展主要研究工作和结论如下:(1)从颗粒起动速度出发,推导了高压环境粉末供给系统启动阶段颗粒质量流率计算公式,并基于实验,建立了启动阶段颗粒瞬态质量流率半经验预测模型。实验结果表明,启动阶段颗粒瞬态质量流率与初始压强间呈近似对数关系,而随粉末装填率增大表现出“S”型增长规律,同时随粒径增大先增后减,但随节流孔板面积增大而增大。所构建模型的计算结果与实验值吻合较好,且预测精度相比基于气固两相平衡流的理论计算模型有大幅提升,可为粉末发动机点火能量计算提供较为准确的推进剂流量数据。(2)对粉末高压起动和流化特性进行了实验和数值计算研究。结果表明,颗粒起动过程可大致分为静态起动、颗粒大量输出和颗粒少量输出三阶段。颗粒粒径和粉末装填率对节流孔板处拟颗粒温度分布以及颗粒时均速度流场影响较大,一定条件下易形成“环-核”结构。在低压流化条件下,粉箱上部主要以鼓泡与旋涡流动为主,粉末无稳定流型;而高压流化条件下,粉箱内能形成相对稳定的气固分界面。粉末流化性能随压强增大呈现先升后降并在一定压强后趋于一致的规律,较大和较小粒径颗粒对流化性能的影响相当,均优于中间粒径颗粒。另外,相比压强信号的均方差分析,高阶统计量分析要更为细腻,而小波变换分析结果表明,高压流化有效信号频段主要集中于0—40Hz,且高频信号主要表征气相湍流脉动,低频信号则表征气固相间作用以及颗粒型面运动。(3)通过实验研究了气固两相壅输送特性。研究结果表明,输送管道中喷管存在可增大两相速度,并在下游形成具有一定扩张角的粉末型面,且喷管下游粉末喷撒扩张角随初始压强和喷管喉径增大而增大。低压条件下,喷管下游输送稳定性优于上游,高压条件下则反之,同时高压条件下气固输送稳定性无量纲数随压强变化不明显,而粒径增大会相应增强气固输送稳定性。气固壅塞状态下,流化腔对喷管上游主要为气体湍流作用影响,随流化压强增大其影响程度呈现先降、突增、再降的规律,大粒径颗粒可增强气固相间作用,而中间粒径颗粒则削弱气体湍流作用;随粒径增大,流化腔与喷管下游流动关联性增强;喷管上游与下游耦合关联强度随流化压强增大呈现先增大后减小规律,同时大粒径颗粒会削弱上游对下游的影响,但中间粒径颗粒则增强上、下游间的流动关联性。同时依据喷管上、下游气固流动耦合关联特性,建立了气固壅塞流动判据。(4)基于不可压流体流量计算公式,通过拟合考虑了颗粒密度、导热系数和固气比的固相表观速度经验关系式,并依据数值计算结果修正了两相密度方程,构建了气固壅塞条件下颗粒质量流率半经验预测模型,所构建模型相比基于气固两相平衡流模型有较高的预测精度。(5)采用均方差、小波变化以及相干函数分析等方法研究了粉末推进剂气固壅塞和非壅塞输送对发动机燃烧振荡的影响规律。结果表明,非气固壅塞输送状态下,Al/AP粉末发动机进行多脉冲点火时,粉末流化输送与燃烧振荡的低频关联性较强,且AP受热分解成气特性对低频燃烧振荡影响较大;粉末发动机在进行推力调节实验时,粉末输送与燃烧振荡关联性最强时刻发生在转调阶段,且此时燃烧稳定性最差;燃烧室内增设扰流环会增强流化输送与燃烧振荡在低压和高压工作段时的低频耦合关联性,而在转调工作段全频域内有最强的耦合关联性。气固壅塞输送状态下,粉末流化输送与燃烧压强振荡之间几乎无高频或低频耦合关联性,该现象为粉末供给系统设计提供了良好的研究思路。
【图文】：

火箭发动机,可行性验证,粉末,实验系统

图 1-1Al/AP 粉末火箭发动机可行性验证实验系统对 Al/AP 粉末火箭发动机可行性进行成功验证后，贝尔航空公司并未对其展做公开报道。西北工业大学在国内率先对 Al/AP 粉末火箭发动机开展了究工作，，不但成功验证了发动机多次启动[5]和推力调节等功能，还主要实统集成化。同时，发动机点火系统设计[6]，发动机燃烧流动特性[7-9]、以及

粉末燃料,冲压发动机,构型,固体火箭

S.Goroshin等提出的粉末燃料冲压发动机构型
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ760.33

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