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隔板喷嘴间隙对燃烧室声学损耗的作用

航空动力学报 2023年第10期38卷 2360-2369页

作者：王治宇郭康康黄卫东聂万胜航天工程大学宇航科学与技术系北京101416

为了定量研究隔板喷嘴对燃烧室声学脉动的抑制作用,基于线性声学理论,在喷嘴间隙大于声学层流边界层厚度的一般情况下,推导了双喷嘴单间隙模型的声学损耗理论计算模型。采用声学有限元方法(FEM)计算1阶声学扰动的衰减速率,与理论推导的... 详细信息

为了定量研究隔板喷嘴对燃烧室声学脉动的抑制作用,基于线性声学理论,在喷嘴间隙大于声学层流边界层厚度的一般情况下,推导了双喷嘴单间隙模型的声学损耗理论计算模型。采用声学有限元方法(FEM)计算1阶声学扰动的衰减速率,与理论推导的相对误差仅为0.81%,并进一步揭示了隔板喷嘴壁面边界层黏性损耗和热损耗对声学脉动的抑制作用机理。在全尺寸发动机燃烧室中,当隔板喷嘴间隙不小于壁面两侧边界层厚度时,验证了燃烧室1阶切向声学模态损耗系数的变化趋势与理论模型一致。能为隔板喷嘴的设计提供一定的指导准则。

关键词：隔板喷嘴声学边界层燃烧室声学特性声学损耗系数燃烧不稳定

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空桶燃烧室内连续旋转爆震的稳定性分析

航空动力学报 2023年第5期38卷 1090-1101页

作者：范良忠郭康康舒晨陈朋聂万胜林伟航天工程大学宇航科学与技术系北京101416

在空桶燃烧室中开展了不同流量下(142.7~493.9 g/s)的连续旋转爆震试验。流量为493.9 g/s时,爆震波的传播速度接近Chapman-Jouguet(CJ)理论参考值。随着流量的减小,爆震波的传播速度和压力逐渐降低。当流量降至142.7 g/s,爆震波演化为... 详细信息

在空桶燃烧室中开展了不同流量下(142.7~493.9 g/s)的连续旋转爆震试验。流量为493.9 g/s时,爆震波的传播速度接近Chapman-Jouguet(CJ)理论参考值。随着流量的减小,爆震波的传播速度和压力逐渐降低。当流量降至142.7 g/s,爆震波演化为双波模态,并伴有熄灭-再起爆现象。而且,爆震波的压力和速度周期性波动,平均传播速度仅为76.8%的CJ爆震速度。随后,采用非线性时间序列分析法讨论了不同工况下爆震波的稳定性。结果表明:流量大于300 g/s时,燃烧室的高频压力序列在相空间中的吸引子收敛为极限环模式。减小流量后导致吸引子趋于混乱,表明爆震传播稳定性降低,系统趋于无序状态。该研究讨论了流量对爆震波稳定性的影响,并探索了非线性时间序列分析在旋转爆震稳定性研究中的应用,为复杂工况下爆震波稳定性判断提供了方法参考。

关键词：空桶燃烧室旋转爆震传播稳定性非线性时间序列相空间重构

液体火箭发动机离心式喷嘴振荡喷雾特性现状和发展趋势

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国防科技大学学报 2023年第3期45卷 1-19页

作者：姜传金任永杰仝毅恒谢远楚威李修乾航天工程大学宇航科学与技术系北京101416

为加深对振荡喷雾的雾化特性及其与不稳定燃烧的关系的认识,针对低温推进剂液体火箭发动机中广泛应用的气液同轴离心式喷嘴和液液同轴离心式喷嘴,从受激振荡、自激振荡以及喷雾振荡与燃烧稳定性三个方面对研究现状进展进行了综述,总结... 详细信息

为加深对振荡喷雾的雾化特性及其与不稳定燃烧的关系的认识,针对低温推进剂液体火箭发动机中广泛应用的气液同轴离心式喷嘴和液液同轴离心式喷嘴,从受激振荡、自激振荡以及喷雾振荡与燃烧稳定性三个方面对研究现状进展进行了综述,总结了以往研究中的成果以及需要克服的关键技术难题,以加深对振荡喷雾及其与燃烧稳定性关系的认识。通过综述可知:对于受激振荡,对于常温常压条件下的供应系统流量振荡引起的前端压力振荡的研究比较充分,但缺少对燃烧室压力变化引起的反压振荡的研究以及超临界条件下喷雾受激振荡的研究;对于自激振荡,研究主要集中在液体中心型同轴离心喷嘴,对于气体中心型同轴离心喷嘴和液液同轴离心喷嘴的研究还较少;光学诊断技术仍难以提取单一的燃烧流场信息。

关键词：液体火箭发动机离心式喷嘴受激振荡自激振荡燃烧不稳定

宽速域来流中气体辅助预热横向射流掺混机理研究

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推进技术 2022年第11期43卷 89-99页

作者：王家森林伟赵家丰谢远史强黄卫东聂万胜航天工程大学宇航科学与技术系北京101416

为研究气体辅助条件下液体横向射流与超声速来流的掺混机理,对旋转爆震冲压发动机宽速域超声速空气流中预热煤油横向射流在气体辅助喷注条件下的喷雾流场结构和液滴破碎展开数值模拟,分析了来流马赫数、辅助气体位数及气体喷注压降等因... 详细信息

为研究气体辅助条件下液体横向射流与超声速来流的掺混机理,对旋转爆震冲压发动机宽速域超声速空气流中预热煤油横向射流在气体辅助喷注条件下的喷雾流场结构和液滴破碎展开数值模拟,分析了来流马赫数、辅助气体位数及气体喷注压降等因素的影响。采用离散相模型研究气液相互作用,通过Rayleigh-Taylor和Kelvin-Helmholtz混合模型描述液膜的破碎,选取Discrete Randow Walk模型计算液滴的湍流耗散,通过无限热传导率模型描述液雾的蒸发过程。研究表明,有/无气体辅助工况中,在当量比、孔径及喷注压降等恒定的条件下,液体射流穿透能力与来流马赫数成反比。合理的单/双位气体辅助方案都可提升液体射流穿透深度,但后者更为显著。双位气体辅助下甲烷的加入扩大了可燃组分的分布。随着甲烷喷注压降的升高,其后位置的卷吸涡对充分发展,热煤油射流的穿透深度显著提高,但液雾的蒸发距离变长。

关键词：爆震发动机冲压发动机横向射流两相流掺混雾化数值模拟

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喷注角度对超声速气流中液体横向射流的影响

推进技术 2022年第6期43卷 234-244页

作者：赵家丰聂万胜仝毅恒任永杰朱杨柱林伟航天工程大学宇航科学与技术系北京101416

为探索超声速气流中变角度组合射流对喷注雾化过程的影响,采用高速摄影和基于KHRT破碎模型的欧拉-拉格朗日数值仿真方法开展研究,仿真结果和实验吻合较好。研究表明,同一流量下逆流喷注,可以较为有效地增强混合效果,提升射流穿透深度。... 详细信息

为探索超声速气流中变角度组合射流对喷注雾化过程的影响,采用高速摄影和基于KHRT破碎模型的欧拉-拉格朗日数值仿真方法开展研究,仿真结果和实验吻合较好。研究表明,同一流量下逆流喷注,可以较为有效地增强混合效果,提升射流穿透深度。带扩张型面内液雾穿透深度呈现先增大后降低的趋势。等流量条件下顺流双孔喷注有效截面面积大体一致,略低于单孔直喷。等效流量下逆流喷注所得液雾截面面积收益最为明显。截面平均粒径方面,单孔喷注雾化粒径基本一致,顺流双孔喷雾粒径较小。等压降顺流对喷由于流量较大,雾化质量相对较差,平均粒径最大。

关键词：超声速气流喷注角度液体射流扩张型面高速摄影欧拉-拉格朗日方法

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针栓式喷嘴喷雾燃烧特性研究进展

推进技术 2022年第7期43卷 42-60页

作者：谢远聂万胜姜传金罗修棋仝毅恒航天工程大学宇航科学与技术系北京101416

针栓式喷嘴具有深度节流、结构简单、燃烧稳定等优点,主要用于变推力液体火箭发动机。本文介绍针栓式喷嘴的工作原理和发展历程,总结针栓式喷嘴的雾化特性和燃烧特性,展望针栓式喷嘴未来的研究方向。目前针栓式喷嘴的雾化特性研究较多,... 详细信息

针栓式喷嘴具有深度节流、结构简单、燃烧稳定等优点,主要用于变推力液体火箭发动机。本文介绍针栓式喷嘴的工作原理和发展历程,总结针栓式喷嘴的雾化特性和燃烧特性,展望针栓式喷嘴未来的研究方向。目前针栓式喷嘴的雾化特性研究较多,重点分析的是工况参数和结构尺寸对破碎形态、喷雾锥角、SMD、液滴速度等的影响,针对针栓式喷嘴液膜破碎机理的研究相对较少;针栓式喷嘴燃烧特性研究主要集中于燃烧流场结构、燃烧性能和热防护等方面,对针栓式发动机固有燃烧稳定性机理以及动态燃烧特性的研究还较为欠缺。

关键词：液体火箭发动机针栓式喷嘴节流雾化燃烧变推力

喷嘴式隔板与再生冷却肋片隔板对高频燃烧不稳定抑制效果的数值对比

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航空动力学报 2023年第12期38卷 2948-2956页

作者：徐伯起郭康康任永杰仝毅恒聂万胜黄卫东航天工程大学航空宇航科学与技术系北京101407

基于三维URANS(unsteady reynolds-averaged Navier-Stokes)模型对全尺寸液氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定开展了仿真计算。研究了3种隔板对高频切向燃烧不稳定的抑制效果,发现当隔板长度为30 mm时,喷嘴式隔板能有效抑制燃烧不稳定,... 详细信息

基于三维URANS(unsteady reynolds-averaged Navier-Stokes)模型对全尺寸液氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定开展了仿真计算。研究了3种隔板对高频切向燃烧不稳定的抑制效果,发现当隔板长度为30 mm时,喷嘴式隔板能有效抑制燃烧不稳定,而两种再生冷却肋片隔板未能完全抑制燃烧不稳定,增加隔板长度到50 mm后,燃烧趋于稳定。结果表明:较短隔板不能完全包络化学反应区域,推进剂纵向分布变化对燃烧不稳定的抑制作用相对较小;隔板增长后,能有效分割燃烧室头部化学反应区域,提升了燃烧稳定性裕度;喷嘴式隔板能抑制切向燃烧不稳定的机理在于隔板喷嘴壁面上存在一个大黏性、大剪切力的黏性影响区。研究结果可为液体火箭发动机隔板设计提供一定指导。

关键词：火箭发动机高频燃烧不稳定 URANS模型再生冷却肋片隔板喷嘴式隔板

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复杂约束多体系统显式动力学表示及其应用

应用力学学报 2024年

作者：满万鑫李新洪周思引安继萍张治彬胡港旋张国辉航天工程大学宇航科学与技术系

Udwadia-Kalaba方程为复杂约束多体系统提供了显式求解方法。该方法不用引入辅助变量，就可以使系统中的广义加速度与广义约束力解耦，进而得到显式表达的广义约束力和广义加速度。但是，在方程中要求质量矩阵是正定的，这不适用于具有... 详细信息

Udwadia-Kalaba方程为复杂约束多体系统提供了显式求解方法。该方法不用引入辅助变量，就可以使系统中的广义加速度与广义约束力解耦，进而得到显式表达的广义约束力和广义加速度。但是，在方程中要求质量矩阵是正定的，这不适用于具有奇异质量矩阵、奇异构型、冗余约束等奇异问题的动力学系统。为此，一些专家学者通过引入辅助系统对U-K方程进行变形，使实际多体系统和添加辅助系统的多体系统具有同样的动力学特性，从而可以很好的解决奇异问题。详细论述了引入辅助系统对基本U-K方程进行修正的几种方法，给出了采用U-K方程对复杂约束多体系统建模和求解的通用流程。借助两个具有奇异质量矩阵的算例，利用U-K方程及其修正的方法进行了求解。从求解步骤中可以看出该方法具有程序化、简洁和高效的特点。

关键词： U-K方程复杂多体系统奇异问题冗余约束显式运动方程

基于级联涡旋半波片的高阶柱矢量光束产生及其偏振检测

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同方期刊数据库

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光学学报 2022年第13期42卷 182-189页

作者：孙汝生刘通王琛李瑞健任元航天工程大学宇航科学与技术系北京101416 航天工程大学基础部北京101416

涡旋半波片(VHP)是一种快轴取向在空间分布上呈特定角向变化规律的偏振光学元件。通过级联两个或多个低阶VHP可以产生任意高阶柱矢量光束(CVB)。基于单个VHP的琼斯矩阵,推导了VHP级联后的等效琼斯矩阵,从理论上解释了VHP级联后等效阶数... 详细信息

涡旋半波片(VHP)是一种快轴取向在空间分布上呈特定角向变化规律的偏振光学元件。通过级联两个或多个低阶VHP可以产生任意高阶柱矢量光束(CVB)。基于单个VHP的琼斯矩阵,推导了VHP级联后的等效琼斯矩阵,从理论上解释了VHP级联后等效阶数的变化规律。实验上,利用m=-1和m=2的两个VHP级联产生1阶和3阶径向偏振和角向偏振CVB,计算斯托克斯参数并绘制矢量光束偏振态分布图,并与m=1的单个VHP直接生成的CVB进行比较,证明了级联方法的可靠性。在级联VHP产生相同高阶CVB时,VHP的不同级联顺序能够影响由于中心错位而造成的光束畸变程度。经实验对比分析,得到了级联应用中能够稳定产生高质量、高阶CVB的方法,并通过级联多个VHP产生了100阶以内任意CVB。

关键词：物理光学柱矢量光束涡旋半波片琼斯矩阵斯托克斯参数偏振检测