整裝式含能液體高壓瞬態(tài)燃燒穩(wěn)定性控制方法及機(jī)理研究.pdf

1、瞬態(tài)高溫、高壓條件下的燃燒不穩(wěn)定是阻礙整裝式含能液體燃燒推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。本文對(duì)整裝式含能液體燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題的研究歷程進(jìn)行了回顧，基于目前的研究現(xiàn)狀，結(jié)合整裝式含能液體燃燒推進(jìn)過(guò)程的特點(diǎn)，分析了燃燒不穩(wěn)定的影響因素，提出了通過(guò)燃燒室邊界形狀的約束和誘導(dǎo)作用來(lái)控制流動(dòng)不穩(wěn)定的發(fā)展，進(jìn)而提高燃燒穩(wěn)定性的方法，開(kāi)展了相關(guān)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)和理論研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)整裝式液體中高溫燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展與摻混過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究

2、r>　　在實(shí)驗(yàn)方面，采用將流動(dòng)和燃燒過(guò)程剝離的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，建立了用于觀測(cè)高壓熱氣流與整裝式液體工質(zhì)相互作用過(guò)程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了圓柱形與多級(jí)漸擴(kuò)型圓柱觀察室，采用高速錄像系統(tǒng)，研究高壓熱氣流與整裝式液體工質(zhì)相互作用規(guī)律，重點(diǎn)觀測(cè)了Taylor空腔在多級(jí)漸擴(kuò)型圓柱觀察室中的擴(kuò)展形態(tài)以及液體工質(zhì)被卷吸過(guò)程，分析了氣液湍流摻混特性，研究了階梯漸擴(kuò)型燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸、初始點(diǎn)火激勵(lì)條件對(duì)射流擴(kuò)展過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，射流擴(kuò)展過(guò)程中在氣液交界面

3、上產(chǎn)生Taylor不穩(wěn)定和Helmholtz不穩(wěn)定，形成了氣液交界面的摻混;圓柱形結(jié)構(gòu)中，射流軸向擴(kuò)展迅速，徑向擴(kuò)展緩慢，將導(dǎo)致Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)為主的氣液摻混機(jī)制，射流擴(kuò)展過(guò)程的隨機(jī)脈動(dòng)性較大;多級(jí)圓柱漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu)中，當(dāng)射流擴(kuò)展到漸擴(kuò)臺(tái)階處，誘導(dǎo)徑向湍流度增強(qiáng)，使Taylor空腔能很快充滿整個(gè)邊界，在一定程度上降低了射流軸向擴(kuò)展的隨機(jī)脈動(dòng)性，抑制了Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng);漸擴(kuò)型觀察室的形狀對(duì)射流擴(kuò)展過(guò)程的影響可以用漸擴(kuò)結(jié)

4、構(gòu)因子ΔD/L表征，當(dāng)ΔD/L較小時(shí)，射流的軸向擴(kuò)展相對(duì)較快;射流擴(kuò)展過(guò)程與觀察室漸擴(kuò)型尺寸及射流強(qiáng)度有關(guān)，通過(guò)這些參數(shù)的合理匹配可以實(shí)現(xiàn)對(duì)射流發(fā)展過(guò)程的控制;端蓋的滯止作用會(huì)造成射流的回流現(xiàn)象，氣液面破碎隨機(jī)性增加，使高速氣流與液體間的湍流摻混過(guò)程更加復(fù)雜。
　　(2)燃?xì)馍淞髟谡b液體中擴(kuò)展過(guò)程的數(shù)值模擬
　　建立了二維軸對(duì)稱氣液兩相湍流模型，對(duì)三級(jí)階梯漸擴(kuò)型、圓錐漸擴(kuò)型和圓柱型充液室內(nèi)的燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

5、通過(guò)對(duì)不同邊界下高壓燃?xì)馍淞鲾U(kuò)展過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:充液室邊界形狀可顯著影響高壓燃?xì)馍淞髟谡b液體中的擴(kuò)展過(guò)程，漸擴(kuò)型觀察室臺(tái)階處出現(xiàn)渦流，誘導(dǎo)射流徑向擴(kuò)展，可抑制Taylor空腔軸向發(fā)展的隨機(jī)性，減小氣液交界面上Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)的影響，當(dāng)漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)幾何尺寸與Taylor空腔發(fā)展相匹配時(shí)，燃燒室邊界形狀在一定程度上可減緩燃燒不穩(wěn)定的發(fā)展。二維軸對(duì)稱氣液兩相湍流模型能夠反映出燃?xì)馍淞鞯臄U(kuò)展規(guī)律和特點(diǎn)

6、，計(jì)算得到的Taylor空腔擴(kuò)展形態(tài)和擴(kuò)展速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。數(shù)值模擬結(jié)果揭示出液體破碎、卷吸和渦流形成等射流氣液兩相界面的演變特性，是對(duì)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。
　　(3)多級(jí)漸擴(kuò)型模擬推進(jìn)裝置的燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究
　　設(shè)計(jì)了整裝式含能液體的高壓燃燒推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，采用瞬態(tài)壓力測(cè)試技術(shù)，在200～500MPa工作壓力下，開(kāi)展了針對(duì)多級(jí)圓柱漸擴(kuò)型燃燒室的燃燒推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)瞬態(tài)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了信號(hào)分析和特征提取，研究了系統(tǒng)燃燒壓力振蕩問(wèn)題

7、，探討了燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)、含能液體類型等因素對(duì)系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明:整裝式液體藥的燃燒推進(jìn)過(guò)程具有非線性，壓力振蕩的頻譜表明系統(tǒng)含有類似混沌運(yùn)動(dòng)的非線性特征;階梯漸擴(kuò)型燃燒室有利于減弱燃燒室壓力振蕩，提高燃燒推進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性;階梯數(shù)量、階梯漸擴(kuò)因子ΔD/L等結(jié)構(gòu)參數(shù)影響燃燒推進(jìn)過(guò)程穩(wěn)定性，增大ΔD/L有利于減小壓力振蕩，但階梯數(shù)量應(yīng)有一個(gè)最佳值，并非越多越好;不同種類液體藥的燃燒推進(jìn)過(guò)程穩(wěn)定性表現(xiàn)出一定差別。
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8、)整裝式含能液體高壓燃燒推進(jìn)過(guò)程的數(shù)值模擬
　　建立了集總參數(shù)計(jì)算模型，計(jì)算出的彈丸出膛速度與實(shí)驗(yàn)相比基本吻合，表明集總參數(shù)模型能夠反映燃燒推進(jìn)過(guò)程的整體變化規(guī)律，但對(duì)于燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，難以通過(guò)集總參數(shù)模型體現(xiàn)出來(lái);另外，從多相流體力學(xué)、湍流燃燒等理論出發(fā)，建立了二維軸對(duì)稱氣液兩相流動(dòng)與燃燒模型，對(duì)整裝式含能液體的燃燒推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，刻畫(huà)出了氣穴擴(kuò)展、液柱加速等燃燒推進(jìn)過(guò)程的主要特征，獲得了質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、壓