整裝式含能液體高壓瞬態(tài)燃燒穩(wěn)定性控制方法及機理研究.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技術發(fā)展的一個瓶頸問題。本文對整裝式含能液體燃燒穩(wěn)定性問題的研究歷程進行了回顧，基于目前的研究現(xiàn)狀，結合整裝式含能液體燃燒推進過程的特點，分析了燃燒不穩(wěn)定的影響因素，提出了通過燃燒室邊界形狀的約束和誘導作用來控制流動不穩(wěn)定的發(fā)展，進而提高燃燒穩(wěn)定性的方法，開展了相關機理的實驗和理論研究。主要研究內(nèi)容和結果如下:
　　(1)整裝式液體中高溫燃氣射流擴展與摻混過程實驗研究

2、r>　　在實驗方面，采用將流動和燃燒過程剝離的冷態(tài)實驗方法，建立了用于觀測高壓熱氣流與整裝式液體工質(zhì)相互作用過程的實驗系統(tǒng)，設計了圓柱形與多級漸擴型圓柱觀察室，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，重點觀測了Taylor空腔在多級漸擴型圓柱觀察室中的擴展形態(tài)以及液體工質(zhì)被卷吸過程，分析了氣液湍流摻混特性，研究了階梯漸擴型燃燒室結構尺寸、初始點火激勵條件對射流擴展過程的影響。實驗結果表明，射流擴展過程中在氣液交界面

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;圓柱形結構中，射流軸向擴展迅速，徑向擴展緩慢，將導致Helmholtz不穩(wěn)定效應為主的氣液摻混機制，射流擴展過程的隨機脈動性較大;多級圓柱漸擴型結構中，當射流擴展到漸擴臺階處，誘導徑向湍流度增強，使Taylor空腔能很快充滿整個邊界，在一定程度上降低了射流軸向擴展的隨機脈動性，抑制了Helmholtz不穩(wěn)定效應;漸擴型觀察室的形狀對射流擴展過程的影響可以用漸擴結

4、構因子ΔD/L表征，當ΔD/L較小時，射流的軸向擴展相對較快;射流擴展過程與觀察室漸擴型尺寸及射流強度有關，通過這些參數(shù)的合理匹配可以實現(xiàn)對射流發(fā)展過程的控制;端蓋的滯止作用會造成射流的回流現(xiàn)象，氣液面破碎隨機性增加，使高速氣流與液體間的湍流摻混過程更加復雜。
　　(2)燃氣射流在整裝液體中擴展過程的數(shù)值模擬
　　建立了二維軸對稱氣液兩相湍流模型，對三級階梯漸擴型、圓錐漸擴型和圓柱型充液室內(nèi)的燃氣射流擴展過程進行了數(shù)值模擬。

5、通過對不同邊界下高壓燃氣射流擴展過程的實驗和數(shù)值模擬，得到如下結論:充液室邊界形狀可顯著影響高壓燃氣射流在整裝液體中的擴展過程，漸擴型觀察室臺階處出現(xiàn)渦流，誘導射流徑向擴展，可抑制Taylor空腔軸向發(fā)展的隨機性，減小氣液交界面上Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應的影響，當漸擴結構幾何尺寸與Taylor空腔發(fā)展相匹配時，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。二維軸對稱氣液兩相湍流模型能夠反映出燃氣射流的擴展規(guī)律和特點

6、，計算得到的Taylor空腔擴展形態(tài)和擴展速度與實驗結果吻合較好。數(shù)值模擬結果揭示出液體破碎、卷吸和渦流形成等射流氣液兩相界面的演變特性，是對實驗的補充。
　　(3)多級漸擴型模擬推進裝置的燃燒特性實驗研究
　　設計了整裝式含能液體的高壓燃燒推進實驗裝置，采用瞬態(tài)壓力測試技術，在200～500MPa工作壓力下，開展了針對多級圓柱漸擴型燃燒室的燃燒推進實驗，對瞬態(tài)壓力測試數(shù)據(jù)進行了信號分析和特征提取，研究了系統(tǒng)燃燒壓力振蕩問題

7、，探討了燃燒室結構參數(shù)、含能液體類型等因素對系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性的影響規(guī)律。實驗表明:整裝式液體藥的燃燒推進過程具有非線性，壓力振蕩的頻譜表明系統(tǒng)含有類似混沌運動的非線性特征;階梯漸擴型燃燒室有利于減弱燃燒室壓力振蕩，提高燃燒推進過程的穩(wěn)定性;階梯數(shù)量、階梯漸擴因子ΔD/L等結構參數(shù)影響燃燒推進過程穩(wěn)定性，增大ΔD/L有利于減小壓力振蕩，但階梯數(shù)量應有一個最佳值，并非越多越好;不同種類液體藥的燃燒推進過程穩(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過程的數(shù)值模擬
　　建立了集總參數(shù)計算模型，計算出的彈丸出膛速度與實驗相比基本吻合，表明集總參數(shù)模型能夠反映燃燒推進過程的整體變化規(guī)律，但對于燃燒過程中出現(xiàn)的壓力脈動現(xiàn)象，難以通過集總參數(shù)模型體現(xiàn)出來;另外，從多相流體力學、湍流燃燒等理論出發(fā)，建立了二維軸對稱氣液兩相流動與燃燒模型，對整裝式含能液體的燃燒推進過程進行了數(shù)值模擬，刻畫出了氣穴擴展、液柱加速等燃燒推進過程的主要特征，獲得了質(zhì)量分數(shù)、溫度、壓