固体火箭冲压发动机条件下硼颗粒燃烧过程试验研究

发布时间：2017-09-27 11:02

  本文关键词：固体火箭冲压发动机条件下硼颗粒燃烧过程试验研究

  更多相关文章： 补燃室 硼颗粒 燃烧 试验研究 凝相燃烧产物 Monte Carlo方法 三维温度场重建 团聚硼颗粒

【摘要】：单质硼颗粒具有很高的质量热值和体积热值,被认为是富燃料推进剂的首选固体填料。研究固冲发动机条件下的硼颗粒着火燃烧过程,揭示其控制机制,对探索提高固冲发动机性能的途径具有重要的指导意义。在固冲发动机燃气发生器中,由于缺氧和低温,大量硼颗粒不能着火燃烧,这些硼颗粒随富燃燃气在补燃室中与空气完成掺混和二次燃烧。在补燃室中,硼颗粒往往处于对流作用下,硼颗粒着火燃烧过程与相对静止气氛中有很大不同。本文通过创新试验手段和燃烧流场诊断方法,开展一系列固冲发动机条件下的硼颗粒着火燃烧试验,研究了固冲发动机中硼颗粒燃烧控制机制,为探索提高硼颗粒燃烧效率、改善固冲发动机性能的途径打下了基础。设计了一套固冲发动机条件下的硼颗粒燃烧试验系统,以试验的方式模拟含硼富燃料推进剂固冲发动机燃气发生器和补燃室的工作过程,为硼燃烧试验研究提供接近真实固冲发动机的流场条件。通过试验,对所设计试验系统的流场特性进行了研究,获得了燃气发生器燃料/氧化剂配比和补燃室空气流量分别对补燃室头部、掺混段和燃烧段的温度、总压、静压以及马赫数的影响规律。建立了BO2特征光谱辐射信号采集系统,通过采集硼颗粒燃烧过程产生的BO2特征光谱辐射信号,对硼颗粒燃烧过程进行诊断。结合补燃室流场参数测量方法,对固冲发动机条件下硼颗粒的燃烧过程进行了试验研究。结果表明,在补燃室余氧系数不变的条件下,随着燃气发生器余氧系数增大,补燃室硼颗粒燃烧剧烈程度增强,但是当燃气发生器余氧系数达到使乙醇处于富氧条件后,补燃室硼颗粒燃烧剧烈程度减弱;在燃气发生器工作条件不变时,随着补燃室余氧系数的增大,补燃室硼颗粒燃烧剧烈程度单调增强。针对补燃室流场高温、高压和气固两相流的特点,设计一套硼颗粒凝相燃烧产物取样系统。开展了不同燃气发生器燃料/氧化剂配比和补燃室空气流量下的硼颗粒凝相燃烧产物取样分析试验研究。在对硼颗粒凝相燃烧产物进行X射线衍射、能谱等物理检测的基础上,提出了硼颗粒凝相燃烧产物的物相成分含量定量计算方法,获得了各试验条件下试验系统不同轴向位置的硼颗粒凝相燃烧产物的物相成分含量。定义了基于凝相燃烧产物物相成分含量变化的硼颗粒燃烧效率以及分段燃烧效率评价方法,得到了燃气发生器、补燃室头部、掺混段、燃烧段和补燃室喷管的硼颗粒燃烧效率以及分段燃烧效率随燃气发生器燃料/氧化剂配比和补燃室空气进气的变化规律。基于Monte Carlo方法建立了补燃室火焰的辐射传递过程分析模型,在此基础上提出了补燃室火焰三维温度重建方法。通过数值模拟,对立方体和补燃室火焰的三维温度场进行重建,分析了探测器位置、单个网格发射的射线数量等因素对重建误差的影响。通过试验,采集了不同工况下的补燃室火焰图像,对三维温度场进行了重建,获得了补燃室火焰的三维温度分布特点。对固冲发动机条件下的团聚硼颗粒着火燃烧过程进行了探索性试验研究。利用硼颗粒燃烧过程产生的BO2特征光谱和CCD成像原理提出了一种基于高速火焰图像的团聚硼颗粒着火燃烧过程和火焰结构诊断方法,结合流场参数测量结果对固冲发动机条件下团聚硼颗粒的着火燃烧特性进行了研究。结果表明,补燃室流场的高温和高氧气浓度都可以促进团聚硼颗粒着火燃烧,当温度较高而氧气浓度较低时,团聚硼颗粒不着火燃烧;提高氧气浓度后,团聚硼颗粒着火燃烧;当气流温度较低时,增大氧气浓度团聚硼颗粒也能着火燃烧;试验前后团聚硼颗粒的尺寸变化不大,由燃烧残渣分析结果可以判断,燃气进入了团聚硼颗粒内部与硼颗粒发生反应。
【关键词】：补燃室 硼颗粒 燃烧 试验研究 凝相燃烧产物 Monte Carlo方法 三维温度场重建 团聚硼颗粒
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V435
【目录】：

• 摘要13-15
• Abstract15-18
• 第1章 绪论18-36
• 1.1 研究工作背景和意义18-19
• 1.2 国内外相关研究综述19-33
• 1.2.1 硼颗粒燃烧试验研究19-23
• 1.2.2 含硼富燃料推进剂发动机试验研究23-25
• 1.2.3 燃烧室燃烧流动过程观测方法研究25-27
• 1.2.4 燃烧产物取样分析方法研究27-31
• 1.2.5 燃烧流场温度测量方法研究31-33
• 1.3 本文主要研究内容33-36
• 第2章 固冲发动机条件下硼颗粒燃烧试验方法研究36-60
• 2.1 引言36-37
• 2.2 固冲发动机条件下硼颗粒燃烧试验系统设计37-47
• 2.2.1 燃气发生器工作过程及试验模拟方法37-40
• 2.2.2 补燃室工作过程及试验模拟方法40
• 2.2.3 硼颗粒注入方法40-43
• 2.2.4 补燃室流场参数测量方法43-47
• 2.3 硼颗粒燃烧系统的流场特性试验研究47-50
• 2.3.1 流场参数测点分布47-48
• 2.3.2 试验工况48-49
• 2.3.3 试验时序49-50
• 2.4 试验结果及分析50-58
• 2.4.1 燃气发生器余氧系数对补燃室流场的影响规律分析50-55
• 2.4.2 补燃室余氧系数对补燃室流场的影响规律分析55-58
• 2.5 小结58-60
• 第3章 基于BO_2特征光谱诊断的硼颗粒燃烧试验研究60-82
• 3.1 引言60-61
• 3.2 BO_2特征光谱辐射信号测量方法61-64
• 3.2.1 补燃室介质的辐射特性分析61-62
• 3.2.2 BO_2特征光谱辐射信号采集系统设计62-64
• 3.3 试验过程64-66
• 3.3.1 试验系统64
• 3.3.2 试验工况64-65
• 3.3.3 试验时序65-66
• 3.4 试验结果及分析66-80
• 3.4.1 燃气发生器燃料/氧化剂配比对硼颗粒燃烧过程的影响规律分析66-73
• 3.4.2 补燃室空气进气对硼颗粒燃烧过程的影响规律分析73-80
• 3.5 小结80-82
• 第4章 硼颗粒凝相燃烧产物取样分析试验研究82-112
• 4.1 引言82-83
• 4.2 固冲发动机条件下硼颗粒燃烧凝相产物取样方法研究83-87
• 4.2.1 固冲发动机条件下硼颗粒凝相燃烧产物取样系统设计83-84
• 4.2.2 取样杆传热特性分析84-87
• 4.3 硼颗粒凝相燃烧产物取样试验87-89
• 4.3.1 取样点分布87-88
• 4.3.2 试验工况88-89
• 4.3.3 试验时序89
• 4.4 试验结果及分析89-109
• 4.4.1 硼颗粒凝相燃烧产物的形貌分析90-93
• 4.4.2 硼颗粒凝相燃烧产物的成分分析93-100
• 4.4.3 硼颗粒燃烧效率分析方法100-101
• 4.4.4 硼颗粒燃烧效率随轴向位置的变化规律分析101-102
• 4.4.5 燃气发生器燃料/氧化剂配比对硼颗粒燃烧效率的影响规律分析102-105
• 4.4.6 补燃室空气进气对硼颗粒燃烧效率的影响规律分析105-109
• 4.5 小结109-112
• 第5章 补燃室火焰温度场重建方法及试验研究112-140
• 5.1 引言112-113
• 5.2 补燃室火焰温度重建方法研究113-127
• 5.2.1 补燃室火焰凝相颗粒的散射与吸收特性分析113
• 5.2.2 补燃室介质辐射传递过程的Monte Carlo模拟113-119
• 5.2.3 补燃室火焰辐射成像原理119-121
• 5.2.4 补燃室火焰三维温度场重建方法121
• 5.2.5 辐射成像与三维温度场重建数值模拟121-127
• 5.3 补燃室火焰三维温度场重建试验研究127-139
• 5.3.1 实验系统127-128
• 5.3.2 试验过程128-134
• 5.3.3 结果与分析134-139
• 5.4 小结139-140
• 第6章 固冲发动机条件下团聚硼颗粒燃烧过程试验研究140-154
• 6.1 引言140-141
• 6.2 试验过程141-144
• 6.2.1 团聚硼颗粒141
• 6.2.2 试验系统141-142
• 6.2.3 团聚硼颗粒火焰结构辨识方法142-143
• 6.2.4 试验工况143-144
• 6.2.5 试验时序144
• 6.3 试验结果及分析144-153
• 6.3.1 流场参数测量结果分析144-145
• 6.3.2 BO_2特征光谱辐射信号测量结果分析145-146
• 6.3.3 团聚硼颗粒火焰结构变化规律分析146-150
• 6.3.4 燃烧残渣分析150-153
• 6.4 小结153-154
• 第7章 结束语154-160
• 7.1 结论154-157
• 7.2 对未来工作的展望157-160
• 致谢160-162
• 参考文献162-175
• 作者在学期间取得的学术成果175

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