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固冲发动机补燃室冷流掺混效果与燃烧效率分析

吕惠苗  
【摘要】:补燃室是固体火箭冲压发动机的重要组成部分,补燃室的性能对固冲发动机的整体性能起着决定性作用。由于硼颗粒具有高容积热值和高质量热值,目前固冲发动机常用其作为贫氧推进剂的添加剂。但硼颗粒在燃气发生器中由于缺氧和低温不能充分点火和反应,会使燃气携带大量的硼颗粒进入补燃室,颗粒在补燃室停留的时间非常短,为了在很短的时间内组织好二次燃烧,提高补燃室的效率,研究颗粒与气体的掺混燃烧非常重要。 本文利用CFD软件,先在冷流情况下采用颗粒轨道模型对补燃室内气粒两相流掺混进行研究,以期为考虑化学反应的固体火箭冲压发动机内部燃烧流场的计算提供参考和依据。计算了多种固体火箭冲压发动机结构(不同空气进气道角度、颗粒直径、燃气喷射角度、燃气喷口位置以及空气进气道前后间距)以及颗粒直径、燃气质量流率等因素对颗粒与气流掺混的影响,并利用掺混度、无量纲颗粒浓度等方式定量评价气粒掺混程度,研究结果表明:补燃室内部流场极其复杂,包括多个回流区和旋涡,呈现强烈的三维特性。随着空气进气道角度的增加,补燃室头部回流区域被挤压,旋涡上移,旋涡强度增加,气粒掺混程度增加;颗粒直径越小,随流性越好,越有利于掺混;燃气喷射角度改变,增加了燃气射流与空气射流的相互作用,可以有效促进气粒掺混,在一定范围内增大喷射角度(远离进气道侧)有利于气粒掺混;燃气喷口位置距离空气进气道越近掺混程度越好;前置进气道位置不变,只改变后置进气道位置,间距减少,补燃室头部气粒掺混会变好,但是氧含量降低;进气道周向方位角180°时,颗粒可以弥散至整个补燃室,会比90o更有利于掺混。 随后对补燃室燃烧进行数值模拟,采用k-ε湍流模型和快速一步反应,研究改变颗粒直径、空燃比、空气来流总温以及燃气的喷射角度等因素对燃烧效率的影响,结果表明:颗粒直径越小,随旋涡运动性越强,在补燃室停留时间越长,燃烧效率提高;增加空燃比,提高空气来流总温,空气射入补燃室的深度增加,使氧气在补燃室的分布变得均匀,氧气与燃料的掺混更加理想,燃气不再停留在补燃室的一侧,而是进入补燃室中心区域与空气中的氧进行反应,因此燃气和颗粒的燃烧效率都会有明显的提高;改变燃气角度,可以增加氧气与燃气以及颗粒相的接触,所以当燃气角度改变后可以显著增加燃烧效率。


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