固冲发动机聚乙烯基燃料燃烧特性研究

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固体燃料冲压发动机(Solid Fuel Ramjet,SFRJ)具有结构简单、可靠性高且成本低的特点,有着广阔的应用前景。本文针对聚乙烯基固体燃料冲压发动机(SFRJ)的燃烧特性开展了研究。(1)固体燃料冲压发动机碳氢燃料制备研究。制备了多组分聚乙烯基固体燃料,其密实度良好,没有明显缩孔和裂纹,符合实验要求。在此基础上进一步对制备的固体燃料进行力学特性分析,发现炭黑改变了HDPE的力学特性,使其韧性变差,易破碎失效;石蜡显著降低了HDPE的抗拉强度;而碳纤维可以增强高密度聚乙烯基材料力学特性。(2)采用数据重构燃速测量方法准确地测量了聚乙烯基固体燃料燃速。该方法得到的燃烧去除质量与实验后实际质量变化量进行对比,误差在0.1%内,可信度高,精度满足工程应用要求。此外,该方法能真实反映燃料燃面结构变化,可准确、精细地获取燃料的当地平均燃速3D分布,为研究燃速提供了有效参考。而且,该数据重构燃速测量方法适用于不同工况的内孔轴对称固体燃料,具有广泛性和普适性。(3)本文通过数据重构燃速测量测试方法,研究了当地平均燃速的三维分布,得到了当地燃速与平均燃速的关系,并得到了平均燃速与来流空气质量通量关系。通过地面直连式实验,研究了来流条件、发动机构型,以及推进剂组分等因素对SFRJ燃烧性能的影响。结果表明,增大旋流强度,增大空气质量通量,减小燃烧室入口直径,降低石蜡百分比都有助于SFRJ燃烧性能的提升;而增加燃烧室长度对SFRJ燃烧性能提升有限。改变组分对SFRJ燃烧性能有不同影响:1)在推进剂中添加石蜡和炭黑能够较大程度的提高燃速,但石蜡对燃速影响较为明显;2)碳纤维的添加则会导致固体燃料的热解过程受到阻碍,使其无法自持燃烧。(4)应用商业流体计算软件Fluent,利用用户自定义函数(UDF)对燃料表面进行加质处理,并对添加石蜡以及炭黑的推进剂在不同来流条件下的燃烧特性进行了数值模拟研究。结果表明,来流条件是影响聚乙烯基推进剂燃烧的主要因素。相比于无旋工况,旋流工况下剪切层与回流区的速度更高,强度更大,可以增加推进剂热解产物在回流区中的停留时间,并且可以使热解产物与来流空气充分掺混,从而进一步提高燃烧效率。
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