摻混裝置對固沖發(fā)動機摻混燃燒性能的影響＊

萬少文，何國強

（西北工業(yè)大學固體火箭發(fā)動機燃燒、熱結構與內流場國防科技重點實驗室，西安710072）

0 引言

含硼貧氧推進劑由于具有較高的體積熱值和質量熱值而成為高性能固沖發(fā)動機推進劑的首選。但由于硼顆粒的點火燃燒機理復雜，要實現(xiàn)硼顆粒的高效燃燒組織存在較大的困難，是固沖發(fā)動機研制中的一項重要關鍵技術。美、法等國早在20世紀60年代就開始了含硼貧氧推進劑的研究工作，但由于摻混燃燒組織方面的技術瓶頸，70年代末貧氧推進劑方面的研究工作曾一度中斷。直至20世紀90年代，隨著數(shù)值仿真和試驗技術的不斷進步，國內外學者對硼顆粒的點火燃燒過程進行了大量的研究工作[1－5]，對硼顆粒的點火燃燒機理有了較為深入的認識，并形成了多個有代表性的計算模型[6－8]，含硼貧氧推進劑及其點火燃燒過程重新成為大家的研究熱點。

文中根據(jù)硼顆粒點火燃燒的特性，提出補燃室摻混裝置的設計方案，并采用數(shù)值仿真和直連試驗等方法對摻混裝置的效果進行了評估。

1 補燃室流場分析

1.1 計算模型及參數(shù)

根據(jù)固沖發(fā)動機補燃室工作過程的特點，控制方程采用包含連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程及組分守恒方程的三維N S方程，氣相燃燒采用渦耗散湍流燃燒模型，湍流采用兩方程的κ ε模型，凝聚相顆粒的運動采用顆粒軌道模型描述，硼顆粒的點火和燃燒過程分別采用King模型和Williams模型描述，詳細的計算模型和方法參見文獻[9－10]。

為了對比摻混裝置對固沖發(fā)動機補燃室摻混燃燒性能的影響，分別對帶摻混裝置和不帶摻混裝置的兩種方案進行了三維燃燒流場計算，摻混裝置的結構如圖1所示，一次燃氣的參數(shù)根據(jù)熱力計算的結果進行設定，空氣參數(shù)根據(jù)10km、3 Ma的飛行狀態(tài)進行設定，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 摻混裝置結構示意圖

表1 計算參數(shù)

1.2 計算結果分析

圖2為發(fā)動機頭部的流線圖，圖3為發(fā)動機中的馬赫數(shù)分布云圖?？梢钥闯?，在沒有摻混裝置的情況下，一次燃氣沿著發(fā)動機軸線方向以較高的速度向尾部流動，燃氣在補燃室中的滯留時間較短，一次燃氣和空氣的摻混效果較差；在有摻混裝置的情況下，一次燃氣進入補燃室的速度大幅降低，燃氣在補燃室中的滯留時間增加，補燃室頭部形成復雜的渦旋流動，大大的強化了一次燃氣和空氣的摻混。

圖2 發(fā)動機頭部的流線圖

圖3 發(fā)動機中的馬赫數(shù)分布

表2給出了兩種方案情況下發(fā)動機的性能參數(shù)?？梢钥闯鰮交煅b置可以有效提高補燃室中的摻混燃燒效率，從而使補燃室的總壓和溫度都有大幅的增加。在計算條件下補燃室尾部總壓增加大約9%，總溫增加12%；經沖壓噴管膨脹加速后，噴管出口的速度和壓強分別增加了大約8%和9%，由此計算得到發(fā)動機的名義推力增加了大約23%。

表2 氣動參數(shù)對比

2 試驗驗證

2.1 試驗參數(shù)

由于實際試驗中貧氧推進劑的燃速存在偏差，很難準確模擬某特定的空燃比，因此為了驗證摻混裝置的效果，采用某相同配方的含硼貧氧推進劑開展了4發(fā)模擬10km、3 Ma飛行狀態(tài)的地面直連試驗，其中3發(fā)帶摻混裝置，一發(fā)不帶摻混裝置，試驗模擬參數(shù)如表3所示。

表3 試驗模擬參數(shù)

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析方法

由于直連試驗中發(fā)動機的推力、燃燒溫度、總壓等參數(shù)都無法精確測量，研究中采用氣動法對發(fā)動機的性能進行分析，計算方法如下：

1）由試驗測試補燃室靜壓P4計算總壓Pt4

式中：γ為等熵指數(shù)；M4為補燃室尾部的馬赫數(shù)，以上兩個參數(shù)由熱力計算得到。

2）由補燃室總壓計算特征速度C＊

式中：At為試驗發(fā)動機噴管喉徑為試驗中空氣和燃氣質量流率之和。

3）由補燃室總壓計算發(fā)動機名義推力Fm

式中：Ae為噴管出口面積；Mae為噴管出口馬赫數(shù)，air為模擬工況下空氣質量流率；VH為模擬工況下導彈的飛行馬赫數(shù)；PH為飛行高度的大氣壓強。

2.3 試驗結果分析

圖4 補燃室尾部總壓隨空燃比的變化

圖4～圖6為不同試驗中獲得的空燃比、補燃室尾部總壓、特征速度及名義推力，第1～4次試驗中獲得的實測空燃比分別為6.7、13.3、16.3和12.1，第4發(fā)試驗的空燃比雖然與第1～3發(fā)試驗的空燃比都不相同，但處于其最大值和最小值之間，因此仍可反應出摻混裝置對補燃室摻混燃燒性能的影響。依據(jù)圖4～圖5，在空燃比為12.1的情況下，帶摻混裝置時補燃室尾部總壓、特征速度及名義推力比不帶摻混裝置時大約提高8.4%、8.0%和18.9%，試驗結果與數(shù)值仿真結果基本一致。

圖5 補燃室特征速度隨空燃比的變化

圖6 發(fā)動機名義推力隨空燃比的變化

3 結論

1）采用本研究設計的摻混裝置可有效強化空氣與一次燃氣的摻混，增加一次燃氣在補燃室中的滯留時間；

2）在空燃比12.1的條件下，采用本研究設計的摻混裝置可以將補燃室尾部總壓、特征速度分別提高8.4%和8.0%，在特定設計條件下可將名義推力提高大約19%以上。

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