【摘要】：粉末推進劑供給系統(tǒng)作為粉末發(fā)動機的核心構件,其推進劑輸送穩(wěn)定性及流量控制精度會對發(fā)動機燃燒性能產生直接影響。高壓環(huán)境下,粉末質量流量調控精度以及輸送穩(wěn)定性受顆粒起動、流化和輸送機理的共同影響,同時兩相流動穩(wěn)定性與發(fā)動機燃燒振蕩之間亦存在耦合關聯,其輸送和耦合機制均尚未可知,故開展高壓環(huán)境粉末流化輸送及其與發(fā)動機燃燒振蕩的耦合機制研究,對揭示高壓環(huán)境兩相流動規(guī)律以及提高粉末推進劑供給系統(tǒng)設計水平具有重要的學術和工程指導意義。本文主要通過實驗研究,引入相應的壓強信號分析方法,對高壓環(huán)境下粉末起動流化特性、氣固兩相壅塞流動規(guī)律以及輸送與燃燒振蕩耦合關聯性等方面進行了深入探討,所開展主要研究工作和結論如下:(1)從顆粒起動速度出發(fā),推導了高壓環(huán)境粉末供給系統(tǒng)啟動階段顆粒質量流率計算公式,并基于實驗,建立了啟動階段顆粒瞬態(tài)質量流率半經驗預測模型。實驗結果表明,啟動階段顆粒瞬態(tài)質量流率與初始壓強間呈近似對數關系,而隨粉末裝填率增大表現出“S”型增長規(guī)律,同時隨粒徑增大先增后減,但隨節(jié)流孔板面積增大而增大。所構建模型的計算結果與實驗值吻合較好,且預測精度相比基于氣固兩相平衡流的理論計算模型有大幅提升,可為粉末發(fā)動機點火能量計算提供較為準確的推進劑流量數據。(2)對粉末高壓起動和流化特性進行了實驗和數值計算研究。結果表明,顆粒起動過程可大致分為靜態(tài)起動、顆粒大量輸出和顆粒少量輸出三階段。顆粒粒徑和粉末裝填率對節(jié)流孔板處擬顆粒溫度分布以及顆粒時均速度流場影響較大,一定條件下易形成“環(huán)-核”結構。在低壓流化條件下,粉箱上部主要以鼓泡與旋渦流動為主,粉末無穩(wěn)定流型;而高壓流化條件下,粉箱內能形成相對穩(wěn)定的氣固分界面。粉末流化性能隨壓強增大呈現先升后降并在一定壓強后趨于一致的規(guī)律,較大和較小粒徑顆粒對流化性能的影響相當,均優(yōu)于中間粒徑顆粒。另外,相比壓強信號的均方差分析,高階統(tǒng)計量分析要更為細膩,而小波變換分析結果表明,高壓流化有效信號頻段主要集中于0—40Hz,且高頻信號主要表征氣相湍流脈動,低頻信號則表征氣固相間作用以及顆粒型面運動。(3)通過實驗研究了氣固兩相壅輸送特性。研究結果表明,輸送管道中噴管存在可增大兩相速度,并在下游形成具有一定擴張角的粉末型面,且噴管下游粉末噴撒擴張角隨初始壓強和噴管喉徑增大而增大。低壓條件下,噴管下游輸送穩(wěn)定性優(yōu)于上游,高壓條件下則反之,同時高壓條件下氣固輸送穩(wěn)定性無量綱數隨壓強變化不明顯,而粒徑增大會相應增強氣固輸送穩(wěn)定性。氣固壅塞狀態(tài)下,流化腔對噴管上游主要為氣體湍流作用影響,隨流化壓強增大其影響程度呈現先降、突增、再降的規(guī)律,大粒徑顆粒可增強氣固相間作用,而中間粒徑顆粒則削弱氣體湍流作用;隨粒徑增大,流化腔與噴管下游流動關聯性增強;噴管上游與下游耦合關聯強度隨流化壓強增大呈現先增大后減小規(guī)律,同時大粒徑顆粒會削弱上游對下游的影響,但中間粒徑顆粒則增強上、下游間的流動關聯性。同時依據噴管上、下游氣固流動耦合關聯特性,建立了氣固壅塞流動判據。(4)基于不可壓流體流量計算公式,通過擬合考慮了顆粒密度、導熱系數和固氣比的固相表觀速度經驗關系式,并依據數值計算結果修正了兩相密度方程,構建了氣固壅塞條件下顆粒質量流率半經驗預測模型,所構建模型相比基于氣固兩相平衡流模型有較高的預測精度。(5)采用均方差、小波變化以及相干函數分析等方法研究了粉末推進劑氣固壅塞和非壅塞輸送對發(fā)動機燃燒振蕩的影響規(guī)律。結果表明,非氣固壅塞輸送狀態(tài)下,Al/AP粉末發(fā)動機進行多脈沖點火時,粉末流化輸送與燃燒振蕩的低頻關聯性較強,且AP受熱分解成氣特性對低頻燃燒振蕩影響較大;粉末發(fā)動機在進行推力調節(jié)實驗時,粉末輸送與燃燒振蕩關聯性最強時刻發(fā)生在轉調階段,且此時燃燒穩(wěn)定性最差;燃燒室內增設擾流環(huán)會增強流化輸送與燃燒振蕩在低壓和高壓工作段時的低頻耦合關聯性,而在轉調工作段全頻域內有最強的耦合關聯性。氣固壅塞輸送狀態(tài)下,粉末流化輸送與燃燒壓強振蕩之間幾乎無高頻或低頻耦合關聯性,該現象為粉末供給系統(tǒng)設計提供了良好的研究思路。
【圖文】：

圖 1-1Al/AP 粉末火箭發(fā)動機可行性驗證實驗系統(tǒng)對 Al/AP 粉末火箭發(fā)動機可行性進行成功驗證后，貝爾航空公司并未對其展做公開報道。西北工業(yè)大學在國內率先對 Al/AP 粉末火箭發(fā)動機開展了究工作，，不但成功驗證了發(fā)動機多次啟動[5]和推力調節(jié)等功能，還主要實統(tǒng)集成化。同時，發(fā)動機點火系統(tǒng)設計[6]，發(fā)動機燃燒流動特性[7-9]、以及

S.Goroshin等提出的粉末燃料沖壓發(fā)動機構型
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TJ760.33

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本文編號：2623872