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高超声速进气道内粉末燃料喷注及流动控制特性研究

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推进技术 2022年第12期43卷 381-389页

作者：丁宋毅孙波卓长飞代春良南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了提高进气道性能以及金属粉末燃料的掺混效率,本文将粉末燃料的喷注提前到高超声速进气道内完成。以铝粉作为喷注燃料,氮气作为流化气,基于连续相-离散相(CFD-DPM)耦合模型,采用数值模拟的方法重点研究了在进气道内喷注粉末燃料对进... 详细信息

为了提高进气道性能以及金属粉末燃料的掺混效率,本文将粉末燃料的喷注提前到高超声速进气道内完成。以铝粉作为喷注燃料,氮气作为流化气,基于连续相-离散相(CFD-DPM)耦合模型,采用数值模拟的方法重点研究了在进气道内喷注粉末燃料对进气道性能和颗粒掺混度的影响。结果表明:在超额定状态下通过在外压段喷注粉末燃料进行波系控制,可以用比气体射流控制更低的喷注压力实现激波贴口的效果,在来流马赫数Ma_(0)=6时,与气体射流控制相比,两个喷嘴的入口总压分别降低了17.9%和31.8%。与常规定几何进气道相比,经过粉末燃料喷注后进气道的综合性能有了显著的提高,低马赫数下流量系数提高24%以上,总压恢复系数也明显提高,并且实现了粉末燃料与氧气的充分掺混。

关键词：高超声速进气道金属粉末燃料波系控制喷注掺混

前缘钝化和化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道特性的影响

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推进技术 2022年第1期43卷 103-114页

作者：代春良孙波卓长飞马虎周长省南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对顶板、唇口前缘不同钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟。结果表明:相比基准进气道,钝... 详细信息

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对顶板、唇口前缘不同钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟。结果表明:相比基准进气道,钝化后进气道出口唇口板侧温度边界层较厚,顶板侧温度边界层较薄;在化学非平衡气体模型下,顶板前缘钝化半径R_(1)≥4mm时进气道顶板附近分离区内离解反应较为明显,氧气的最高离解度约为10.9%;唇口前缘钝化半径R_(2)≥2mm时进气道的唇罩、唇口板附近离解反应较为明显,氧气的最高离解度约为15.2%;当钝化半径≥4mm时,两种气体模型下进气道出口总压恢复系数和静温的相对变化量绝对值均大于0.5%,有必要考虑化学非平衡效应对进气道出口性能的影响。

关键词：斜爆震发动机进气道前缘钝化化学非平衡效应温度边界层工作性能

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基于粒子群算法的微纳米铁粉燃烧实验研究

科学技术与工程 2022年第7期22卷 2709-2716页

作者：丁宋毅孙波卓长飞南京理工大学机械工程学院南京210094

为减少化石燃料的使用,开发清洁、低碳、可再生的新型能源,对微纳米铁粉燃料开展燃烧实验研究。通过微纳米铁粉的比表面积实验、热重分析实验、X射线衍射实验,得到不同粒径铁粉的比表面积、热重曲线以及X射线衍射图谱。分析粒径对比表... 详细信息

为减少化石燃料的使用,开发清洁、低碳、可再生的新型能源,对微纳米铁粉燃料开展燃烧实验研究。通过微纳米铁粉的比表面积实验、热重分析实验、X射线衍射实验,得到不同粒径铁粉的比表面积、热重曲线以及X射线衍射图谱。分析粒径对比表面积、热重曲线的影响,研究不同粒径铁粉在40 K/min升温速率下的燃烧特性参数和燃烧动力学参数。并用粒子群算法拟合出微纳米铁粉的燃烧速率微分方程,建立微纳米铁粉的燃烧模型。结果表明:除了50 nm铁粉以外,随着粒径增大,铁粉的着火点温度、最高燃烧速率温度、燃尽温度、活化能、指前因子均增大。50 nm铁粉会在高温下发生熔化并凝结,使得燃尽温度上升,燃尽时间延长,不利于反应正常进行。对于粒径在50 nm~2μm范围内的铁粉,可以通过本文建立的铁粉燃烧速率微分方程近似计算不同粒径微纳米铁粉的燃烧特性参数和燃烧动力学参数,误差在允许的范围内。

关键词：微纳米铁粉比表面积热重分析粒子群算法燃烧特性燃烧模型

聚乙烯在高速冲压推进动能弹中的燃烧特性数值模拟

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含能材料 2016年第11期24卷 1057-1062页

作者：卓长飞邹延兵王晓鸣南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了研究聚乙烯在高速冲压推进动能弹中的燃烧特性,进行了高速冲压推进动能弹全弹一体化流场的数值模拟研究,分析了冲压发动机工作和非工作时流动特性差异,以及冲压发动机工作时聚乙烯的燃烧和推进特性。结果表明,冲压发动机工作时,燃... 详细信息

为了研究聚乙烯在高速冲压推进动能弹中的燃烧特性,进行了高速冲压推进动能弹全弹一体化流场的数值模拟研究,分析了冲压发动机工作和非工作时流动特性差异,以及冲压发动机工作时聚乙烯的燃烧和推进特性。结果表明,冲压发动机工作时,燃烧室内压力均匀,中心轴线平均压力约为2.1MPa。随着轴向距离x的增大,火焰锋面先靠近固体燃料表面后逐渐远离。在再附着点之前,随着轴向距离x的增大,固体燃料的表面温度与燃面退移速率均持续增大,在再附着点附近达到最大值,然后不断减小。在本研究设计的气动构型下,高速冲压推进动能弹产生的额定推力、净推力分别为250N和76N,基于燃料的比冲为10593m·s^(-1)。

关键词：固体燃料冲压发动机动能弹聚乙烯燃烧特性

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隔舱式双脉冲发动机金属膜片打开压强研究

兵器装备工程学报 2022年第2期43卷 9-13页

作者：李赛赛余陵张彤卓长飞甘语怀南京理工大学机械工程学院航空宇航系南京210094 北方华安工业集团有限公司黑龙江齐齐哈尔161006

根据双脉冲固体火箭发动机的要求,设计一种隔舱金属膜片式的级间隔离装置,装置包括预制缺陷槽的金属膜片和支撑架,利用有限元法对隔舱金属膜片进行数值模拟研究。仿真结果表明在支撑架的作用下,金属膜片的承压能力大幅提高,能够满足Ⅰ... 详细信息

根据双脉冲固体火箭发动机的要求,设计一种隔舱金属膜片式的级间隔离装置,装置包括预制缺陷槽的金属膜片和支撑架,利用有限元法对隔舱金属膜片进行数值模拟研究。仿真结果表明在支撑架的作用下,金属膜片的承压能力大幅提高,能够满足Ⅰ脉冲承压要求。在Ⅱ脉冲40 ms建压15 MPa的条件下,厚度t=2 mm、凹槽深度h=1 mm的金属膜片经过8.2 ms打开,打开压强为3.075 MPa,初始裂痕大致沿着预置缺陷槽。通过四组不同建压时间仿真发现,增长建压时间,膜片打开时间变长,打开压强增大0.4 MPa后稳定在3.4 MPa左右;随着凹槽深度的增加,打开压强近似呈线性减小。

关键词：双脉冲固体火箭发动机隔舱金属膜片数值模拟打开压强

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超声速流动中底部排气形式对减阻性能的影响

航空学报 2014年第8期35卷 2144-2155页

作者：卓长飞武晓松封锋南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了研究超声速流动中底部排气减阻技术,采用AUSMPW+迎风格式、k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型、8组分12反应化学动力学模型和二阶矩湍流燃烧模型求解三维带化学反应的Navier-Stokes方程。数值研究了超声速流动中底部排气流场,分析了底... 详细信息

为了研究超声速流动中底部排气减阻技术,采用AUSMPW+迎风格式、k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型、8组分12反应化学动力学模型和二阶矩湍流燃烧模型求解三维带化学反应的Navier-Stokes方程。数值研究了超声速流动中底部排气流场,分析了底部排气形式对底部流场和减阻特性的影响规律和机理。计算结果表明:从减阻性能来看,随着排气参数的增大,采用边缘型排气得到的底压比呈增大趋势,而采用中心型排气得到的底压比呈先增大后减小的趋势;从流场结构来看,随着排气参数的增大,采用中心型排气的流场结构发生较大变化,前、后滞止点位置发生明显改变以至最后消失,初始回流区逐渐被后推以至消失,而采用边缘型排气的流场结构基本无重大变化,前滞止点位置始终不变,后滞止点位置后移,初始回流区始终存在。该文研究可为底排技术的工程应用提供参考。

关键词：超声速流动底部排气技术底部排气形式底压比减阻性能

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基于无网格算法的化学非平衡流数值模拟

推进技术 2014年第2期35卷 244-250页

作者：卓长飞武晓松封锋邓寒玉南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方... 详细信息

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方程的求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程。最后,对NACA0012跨声速绕流场、高超声速弹丸绕流场、氢气/氧气诱导燃烧流场、球锥高超声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟。数值模拟结果与相关文献计算结果和实验结果吻合较好,表明了AUSMPW+格式在无网格算法中表现较高精度。同时,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象,为化学非平衡流数值模拟提供一种新的算法,拓宽了无网格算法的应用范围。

关键词：无网格算法点云化学非平衡流 Euler方程 AUSMPW+格式

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火箭燃气射流流场的无网格方法模拟

固体火箭技术 2014年第1期37卷 23-29页

作者：卓长飞封锋武晓松南京理工大学机械工程学院南京210094

首先,将无网格方法用于带化学反应的多组分气体Euler方程进行求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程;其次,对NACA0012跨声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟,验证无网格算法的可靠性以及无网格算法能否用于复杂化学非... 详细信息

首先,将无网格方法用于带化学反应的多组分气体Euler方程进行求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程;其次,对NACA0012跨声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟,验证无网格算法的可靠性以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中;最后,采用发展的无网格算法计算了典型火箭燃气射流流场。计算结果表明,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象;在欠膨胀状态下,相交射流激波在轴线上的交点随着欠膨胀程度的增加而远离喷管出口。在过膨胀状态下,相交射流激波在轴线上的交点随着过膨胀程度的增加而不断靠近喷管出口;超声速来流条件下,仅改变不同来流马赫数,对射流流场总体结构基本无影响,射流激波相交点位置基本相同,轴线上参数分布也基本一致。为研究火箭燃气射流流场提供了一种新的数值方法,并拓宽了无网格算法的应用范围。

关键词： Euler方程无网格算法化学非平衡流火箭燃气射流

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底部排气弹三维湍流燃烧的数值模拟

固体火箭技术 2013年第6期36卷 720-726页

作者：卓长飞武晓松封锋南京理工大学机械工程学院南京210094

为了研究底部排气减阻机理,发展了一套多块结构网格三维湍流流动与燃烧的计算软件(MSTCS-3D)。计算软件采用3阶MUSCL重构方法并耦合Steger-warming通量分裂技术,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,湍流流动模型采用k-ωSST模型,化学反应动... 详细信息

为了研究底部排气减阻机理,发展了一套多块结构网格三维湍流流动与燃烧的计算软件(MSTCS-3D)。计算软件采用3阶MUSCL重构方法并耦合Steger-warming通量分裂技术,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,湍流流动模型采用k-ωSST模型,化学反应动力学模型采用CO-H2-O2反应系统8组分12步基元反应模型,湍流燃烧模型采用二阶矩模型。采用该计算软件,分析了底部排热空气/真实气体、来流马赫数对底部排气弹底部流场结构的影响以及对减阻特性的影响。计算结果表明,底排真实气体和底排热空气数值模拟结果差别较大;底部二次燃烧主要发生在弹底的二次回流区;来流马赫数越大,初始回流区后退距离更大,同时减阻效果也越好;编制的计算软件具有较高可靠性,可作为深入分析底部排气减阻机理的工具。

关键词：底部排气弹二次燃烧计算流体力学湍流燃烧底部压力比