旋流对含炭黑固体燃料冲压发动机燃烧性能的影响

发布时间：2020-07-19 02:52

【摘要】：固体燃料冲压发动机(Solid Fuel Ramjet,SFRJ)具有结构简单、比冲高、使用安全等优点,是一种具有广阔应用前景的动力推进系统。旋流进气技术的应用可以增强固体燃料热解产物与来流空气的掺混,提高燃烧效率和燃速。固体燃料中添加炭黑可以提高火焰对燃烧表面的热反馈强度,增强燃烧稳定性。本文通过实验和数值仿真相结合的方法,研究了旋流对含炭黑固体燃料冲压发动机燃烧性能的影响。(1)设计并加工了炭黑-聚乙烯固体燃料加工模具,该装置的特点是能够避免炭黑-聚乙烯固体燃料在冷却过程形成缩孔,保证固体燃料质量,而且该装置还具有结构简单、便于操作等特点。(2)通过激光点火实验,研究了不同环境压强下炭黑含量对聚乙烯固体燃料点火和燃烧性能的影响。结果表明,固体燃料聚乙烯点火过程为典型的气相点火,燃烧火焰属扩散火焰。点火延迟时间随着炭黑的加入急剧缩短,当炭黑质量分数大于20%时,炭黑质量分数的增加对点火延迟时间的影响很小。点火延迟时间随着环境压强的增加缩短,当环境压强大于0.2MPa时,环境压强的增加对点火延迟时间的影响很小。根据实验结果,采用最小二乘法,拟合得到了环境压强为0.1～0.5MPa时点火延迟时间与炭黑质量分数的函数关系式。固体燃料的燃速随炭黑质量分数的增大而减小,随压强的增大而增大,当炭黑质量分数大于5%时,炭黑质量分数是影响固体燃料燃速的主要因素。(3)通过地面直连式固体燃料冲压发动机实验,研究了不同来流进气方式情况下炭黑对SFRJ燃烧性能的影响。结果表明,聚乙烯中加入质量分数为5%的炭黑,改变了聚乙烯的初始点火特性,可以有效提高固体燃料的燃烧稳定性、燃速、特征速度和推力,而且在旋流进气情况下提高效果更佳明显。随着来流旋流强度的增强,提高了固体燃料的燃速和燃烧稳定性,但是这会导致回流区长度缩短,在一定程度上降低了火焰的稳定性。随着突扩台阶高度的增大,提高了燃烧稳定性和燃烧效率,但燃气通道面积也随之增大,固体燃料平均燃速的降低。(4)应用流体计算软件Fluent,对不同来流进气方式情况下炭黑对SFRJ燃烧性能的影响进行了数值仿真研究。结果表明,旋流进气方式的引入,有助于热解产物与来流空气的掺混,提高炭黑的燃烧效率,回流区高温火焰更加贴近固体燃料燃面。但是回流区长度缩短,附着点后的高温火焰离固体燃料燃面更远。随着炭黑的加入,高温火焰更加靠近固体燃料燃面,说明炭黑的加入可以提高燃烧的稳定性。旋流进气工况固体燃料燃面有大量的炭颗粒积聚,在喷管收敛段有较少的炭颗粒积聚。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V435;V235.21
【图文】：

固体燃料冲压发动机,中心锥,推进装置,性能比较

逡逑目前，普遍使用的动力装置有固体火箭发动机、涡喷发动机、涡扇发动机和冲压发逡逑动机，主要动力装置性能比较如图１．１所示。对于冲压发动机，根据使用燃料的类型，逡逑可分为固体燃料冲压发动机和液体燃料冲压发动机。其中，固体燃料冲压发动机具有比逡逑冲高、结构简单、工作可靠、增程效率高及经济效益好等一系列的优点，而且能极大限逡逑度满足飞航导弹发射准备时间短、打击距离远的技战术需求，被认为是新一代飞航导弹逡逑的优选动力装置，成为各个国家竞相研究的对象。逡逑１邋８０００逦Ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋Ｆｕｅｌ逡逑心邋？逦Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ邋Ｆｕｅｌ逡逑0邋６０００逡逑Ｔｕｒｂｏｊｅｔｓ逡逑0－逡逑４０００逦Ｒａｈ．／邋ｔｓ逡逑善逦Ｔｕｒｔｘ＞ｊｅｌｓ逡逑２０００逡逑Ｒａｍ｜ｅ１ｔ逡逑§逦－逦Ｓｃｆａｍ｜ｅｔｔ逡逑0邋１邋ｉ邋ｉ邋ｉ逦ｉ邋ｊ邋ｉ邋ｌ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑０邋１０邋２０逡逑Ｆｌｉｇｈｔ邋Ｍａｃｈ邋Ｎｕｍｂｅｒ逡逑图１．１推进装置性能比较逡逑固体燃料冲压发动机（Ｓｏｌｉｄ邋Ｆｕｅｌ邋Ｒａｍｊｅｔ，ＳＦＲＪ）主要由中心锥、进气道、燃烧室、逡逑点火器、火焰稳定器、固体燃料、掺混版、补燃室和喷管组成

固体燃料冲压发动机,炮弹,导弹,结构示意图

旋转稳定,增程弹,美国,反坦克

在大于５．５Ｍａ时的巡航飞行试验［３］。逡逑自２０世纪８０年代起，美国开始将ＳＦＲＪ技术应用于炮弹增程。１９８４年，美国陆军逡逑弹道实验室进行了邋７５＿邋ＳＦＲＪ旋转稳定坦克训练弹的研宄工作。图１．３是７５＿邋ＳＦＲＪ逡逑旋转稳定弹的结构示意图。研宄表明，炮弹的高速旋转和飞行速度对发动机的工作影响逡逑很大。逡逑——逦逦邋＿丨＿邋丨丨W＿邋？邋Ｉ邋－ｎ邋■邋—邋？邋■■逦■邋■邋＿一邋？邋逦逦逦逦？逦—■一－？邋？邋７５ｍｍ逡逑Ｓｏｌｉｄ邋ｆｕｅｌ逦＇逡逑＾逦２６７．７ｍｍ逦＾逡逑图１．３美国７５ｍｍ邋ＳＦＲＪ旋转稳定弹逡逑此后，美国将ＳＦＲＪ应用于反坦克增程弹，即“先进间接发射系统”，简称ＡＩＦＳ，逡逑弹径为２０３ｍｍ，如图１．４所示。此后，对此增程弹进行了飞行试验，发射装置为Ｍ１１０Ａ－２逡逑加农炮，其射程为６０ｋｍ［４］［５］。目前，美国在研的冲压增程炮弹有１５５＿和１２７ｍｍ两种，逡逑射程分别可达到８０ｋｍ和７０ｋｍ。逡逑Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ逦Ｆｉｎ逡逑＾邋．邋ＶｊＳ逡逑＾ＯＢｍｍ逦逦？一—逦逦逦逡逑逦邋４Ｊｋ邋／ｉｒｉｉｋ￣邋￣邋￣逦－邋Ｈ邋＂ｉｉ？逡逑Ｉｎｌｅｔ逦Ｓｏｌｉｄ邋Ｆｕｅｌ逦Ｎｏｚｚｌｅ逡逑』逦２５４８ｍｍ逡逑逦逦逦逡逑图１．４美国２０３ｍｍ反坦克增程弹逡逑目前美国正在研制射程大于３００ｋｍ的巡航飞行超远程先进炮弹，该弹药使用火炮进逡逑行发射，当弹丸飞行到１０ｋｍ高的弹道顶点时，冲压发动机开始工作，进入巡航飞行阶逡逑段

【参考文献】