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固体火箭发动机翼槽火焰传播机理研究

余贞勇  
【摘要】:由于翼柱形装药的优点,固体发动机广泛采用了带前、后翼槽的推进剂药柱及潜入喷管结构。由于翼槽内的火焰传播过程对整个点火升压过程有着潜在的影响,且点火器性能、燃烧室压强、翼槽的结构尺寸、喷管的潜入深度等参数如何选取以达到性能匹配一直是设计人员比较关心的课题。因此,本文的研究目的是更好地认识带潜入喷管的发动机药柱后端翼槽内的燃气流动规律和火焰传播过程,研究不同参数变化对翼槽火焰传播的影响,建立可用于设计的火焰传播关系式,满足工程设计的需要。 本文对具有翼柱型装药、潜入喷管结构发动机的火焰传播过程进行了较为系统的实验研究和数值分析。建立了采用高速运动分析方法的火焰传播实验系统;设计了两种点火器强度、三种翼槽尺寸、两种不同潜入深度的模拟实验装置;进行了翼槽带药和翼槽不带药的共23 发点火实验;研究了不同点火强度、初始来流速度、燃烧室压强、升压速率等性能参数与翼槽的结构尺寸、喷管的潜入深度等结构尺寸间的匹配关系;在实验数据的基础上,得出了翼槽部位的燃气充填时间、火焰传播速度的拟合公式;并对点火瞬态翼槽内的燃气充填过程进行了数值模拟。在此基础上,建立了便于工程应用的模拟复杂药柱结构点火升压过程的数学模型;针对某实际发动机,对其在点火升压过程的工作特性进行了分析,并研究了不同参数波动对发动机点火升压过程的影响。主要结论有: (1). 本文的研究成果进一步揭示了翼槽部位火焰传播的全过程,首次提出了翼槽临界点燃压强这一概念。翼槽内的火焰传播过程分为两个阶段:燃气充填阶段和翼槽内火焰传播阶段。首先是主流燃气在翼槽部位的快速充填;当燃烧室压强高于翼槽临界点燃压强时,进入火焰传播阶段。翼槽的临界点燃压强与推进剂本身的燃烧特性和翼槽的结构尺寸有关。 (2). 翼槽内的火焰传播速度除与推进剂本身燃烧特性有关外,还主要受到翼槽开口部位的升压梯度和翼槽的宽度影响;翼槽部位的火焰传播速度比典型圆筒段的火焰传播速度低1 到2个数量级,本文实验测出的翼槽部位径向平均火焰传播速度小于10m/s。 (3). 数值模拟结果描述了点火瞬态燃气在翼槽内的充填过程,与实验结果基本一致。在燃烧室压强建立以前,整个流场都异常混乱,存在着前后振荡的趋势;在燃烧室压强建立以后,圆筒段和潜入段流场趋于稳定,翼槽部位的流场仍然复杂,不仅有涡流存在,而且同样存在来回振荡的趋势。 (4). 在点火升压过程数学模型中引入了临界点燃压强的概念,并考虑了翼槽内火焰传播速度的影响,建立了便于工程应用的翼柱型发动机点火升压过程计算方法,计算结果与试验结果吻合较好。 (5). 推进剂的燃烧特性及喷管堵盖打开压强对点火升压过程有较大影响。推进剂燃烧特性、翼槽结构、喷管堵盖打开压强共同影响着燃烧室的升压梯度,决定了点火延迟时间的长短;过低的堵盖打开压强是导致升压曲线出现转折凹凸的主要原因。


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