气液同轴式喷嘴自激振荡的试验现象和声学模型及对火箭发动机不稳定燃烧的影响

首先简述了气液同轴式喷嘴的试验现象。在一定的工作条件下，同轴式喷嘴会产生啸叫，随气、液喷注压降的连续变化，啸叫会周期地产生和消失。通过对试验现象的分析，又提出了喷嘴啸叫的声学模型：喷嘴的自激振荡是环形通道中气流与液体喷嘴气涡共振的结果。声学模型能很好地解释冷态试验现象。最后，将喷嘴自激振荡的现象与模型和液氢液氧火箭发动机的不稳定燃烧的热试结果进行了比较。声学模型能较好地解释热态试车的主要结论。以同轴式喷嘴为喷注器的液氢液氧火箭发动机的高频不稳定燃烧现象有可能是喷嘴自激振荡引起燃烧室中压力振荡的结果。     

更正

《物理》2002年12期第796页的文章《激光等离子体推进在火箭推进技术领域的应用前景》的引言部分中关于液氢火箭的冲量耦合系数(即能量-动量转换效率)的计算有误,说明如下:火箭喷出的是燃料燃烧后的产物,并非燃料本身.液氢燃料火箭喷出的是水蒸气,而水蒸气中仅含有1/9质量的氢元素.因此,在计算火箭的能量时用氢的燃烧热ε直接乘以喷气质量dm是不对的.正确的算法是给797页的方程两边同时除以εdm/9,由此计算出的液氢火箭的冲量耦合系数应该比原文中的大9倍,即297dyne/W.由于笔者的疏忽导致文章出现无法挽回的错误,笔者在…     

液氢容器复温周期确定方法研究

液氢容器在频繁加转注的移动罐中很容易积累固空,因此需要经常复温,清除其内部累积的杂质,防止容器被严重污染。通过对某液氢容器在转注过程中氧氮含量的测量,研究液氢容器氧氮杂质积累规律,得出了固氧、固氮累积量的计算公式。对该容器在现行复温周期下的合理性进行了核算,将正常使用情况下到复温周期时液氢容器内的氧氮含量与安全值进行了比较。给出了一定的使用时间、加转注频次下的液氢容器复温周期计算方法,初步建立了一套液氢容器复温周期确定方法。     

液氢截止阀故障分析与改进

介绍了火箭发动机试验系统高压液氢截止阀的结构和设计中的材质选择、密封、绝热等技术难点,针对其使用中的出现阀杆与阀体之间咬死而无法进行动作的问题进行了全面的分析,并提出了解决方案。该阀门改进后,工作性能可靠。     

新型液体火箭发动机燃烧不稳定性研究

应用CFD方法对新型液体火箭发动机燃烧过程进行全尺寸数值模拟。首次有针对性地系统得出了混合比、液氧喷雾初始尺寸分布、缩进区液氧蒸发质量对氢氧火箭发动机燃烧振荡的影响规律,评估了1轮毂3径向喷嘴隔板抑制燃烧振荡的效果,并对氢氧、液氧/甲烷两种火箭发动机的燃烧不稳定性特征进行了对比分析。结果表明:存在某一特定的混合比、喷雾液滴直径、缩进区液氧蒸发质量敏感区间,易导致不稳定燃烧;喷嘴轮毂隔板可很好地抑制燃烧振荡;氢氧、液氧/甲烷燃烧分别以高频和低频压力振荡为主。     

液体火箭发动机液氧箱与预冷回路的耦合计算模型

建立了液体火箭发动机的液氧贮箱与底部预冷回路的数值计算耦合模型,模拟了地面停放过程中贮箱与底部预冷回路的三维非稳态两相流动与传热过程,分析了自然循环预冷条件下液氧贮箱和底部预冷回路中的三维物理场分布及随时间变化规律。结果表明:随着停放时间的增加,液氧的蒸发量增加,停放中后期贮箱内的热传递基本趋于稳定。回流管内的气化导致回流口处的温度一直呈现波动。     

TVS系统低温液体节流数值模型研究

热力学排气系统(TVS)技术是一种广泛采用而有效的航天低温推进剂高效贮存手段。结合热力学排气系统,针对常用的液氮、液氧、液氢等低温推进剂进行了节流制冷性能初步分析和计算,为实现采用TVS系统进行低温推进剂的高效贮存奠定了一定基础。     

液氢温区YBCO超导带材的交流损耗研究

超导电缆具有载流能力强、损耗低等优势,是电力输送的良好选择。但是,超导电缆需工作于低温环境。液氢温度为20K,可为超导电缆提供低温条件,将超导电缆输电与液氢燃料输送相结合,可解决超导电缆在输电中的瓶颈问题。开展了液氢替代液氮后高温超导带材的传输交流损耗研究。针对美国超导公司提供的黄铜加强YBCO带材,采用H法有限元模型,仿真分析了液氢、液氮冷却时超导带材的传输交流损耗。结果表明采用液氢作为超导带材的冷却介质时,带材正常金属产生的涡流损耗和磁性基底产生的铁磁损耗对总损耗的影响程度较小。所得结果可为液氢温区超导电缆的设计和运行提供参考。     

不同工质下热力学排气系统的压力控制及运行特性

以低温贮箱压力控制为目标,建立了热力学排气系统(TVS)和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型。以18.09m~3低温贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76W/m~2为例,计算了不同贮存工质(液氢、液氮、液氧)下贮箱自增压过程及开启TVS后对贮箱压力控制的效果。结果表明,相同漏热率下液氢贮箱的气枕升压速率远大于相同充注率下的液氮和液氧贮箱升压速率;TVS运行后三种工质贮箱压力均可有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了不同工质热力学排气系统的运行周期、运行时间及排气量等关键参数,同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。     

低温推进剂泄漏扩散的危险性分析

液氢/液氧双组元推进剂是我国新一代运载火箭首选的一组低温推进剂。通过对两种低温推进剂的物化特性进行阐述,结合航天发射场的实际应用情况,分析了该组低温推进剂泄漏扩散的危险性,提出了安全预防措施,能够有效提高低温推进剂的使用安全。     

液氢科氏质量流量计模态分析

针对液氢科氏质量流量计的开发需求,以双U型科氏质量流量计为分析对象,以液氢为流动工质,在ANSYS Workbench平台上对科氏质量流量计的三种模态(干模态、湿模态和预应力模态)进行仿真计算,探究液氢工质的特殊物性对科氏质量流量计测量管模态的影响。结果显示,液氢温区下测量管的固有频率与常温温区下存在显著差异,这是因为,对于低温工质,温度对材料刚度的影响是显著的。液氢的密度和声速均较低,其在测量管内流动时流体预应力效应和附加质量效应对科氏质量流量计模态的影响均不明显。该项研究结果可为后续液氢科氏质量流量计的振动特性研究和结构优化设计提供依据。     

聚氨酯硬质泡沫的低温应用研究现状

航天技术的不断发展,对国民经济、科学研究、国防军事等诸多方面有着深刻的意义。液氢,作为必不可少的航天推进剂,一直以来受到各国的青睐。开发和测试应用于液氢温度下的绝热材料,不但具有重要的现实应用价值,而且是迈向液氦温区的一个必经之路。聚氨酯硬质泡沫以其独特的性能在绝热领域占有重要的地位。很多国家将其应用于液氢的储藏,并取得成功,但是比较缺乏在液氦温区下聚氨酯硬质泡沫的测试。在中国,这方面的研究也取得很大进展,但还是不能满足科学研究飞速发展的需要。本文总结了国内外关于聚氨酯硬质泡沫在低温下的应用和研究,指出国内研究中的不足,为进一步的研究奠定基础。     

磁性冰箱

 世界各国科学家已经为寻求动力上有效益而又不污染环境的新型燃料奋斗了十几年。一种最有竞争力的燃料是液氢。氢气在燃烧时不会产生有害气体,而只产生水蒸汽。液氢是一种通用燃料:可适用于轿车、卡车、飞机乃至火箭。遗憾的是,现有的工艺还不能制取廉价液氢,尽管这种气体是许多化学生产的副产品。另外,液化小容量氢气(1-5吨)也无利可图,而1-5吨通常又是加油站所需的容量。     

低弯头数液氢温区脉动热管的实验研究

为了研究液氢温区脉动热管在冷却Mg B2超导磁体方面的可行性,利用浙江大学制冷与低温研究所现有的实验平台,进一步开展了液氢温区脉动热管的实验研究。在低弯头数(N=2)下,充液率55.8%的脉动热管在加热功率0.1W时可以启动;随着加热功率增大,经历了启动、脉动、极限三个阶段,启动阶段脉动热管传热温差波动很大、传热性能差,而脉动阶段脉动热管传热温差很小、传热性能好。在加热功率0.6W、充液率27.8%时,脉动热管具有最大的传热系数68k W/(m·K),此时蒸发段和冷凝段的温差为0.29K。     

浆氢的制备及应用研究综述

浆氢与液氢相比,其具有密度大、热容高,且具有良好的流动性等优点,故有希望用作航天飞机和火箭的推动剂。进行浆氢的制备方法、贮存输送和密度测量技术等的相关研究,对浆氢的应用具有重要意义。总结了到目前为止与浆氢相关的研究,包括浆氢的特性、制备方法、贮存输送装置及密度测量技术等,并进一步提出了研究中亟待解决的问题。     

液氢的超声衰减研究

用超声脉冲回波法在13.8—20.5K温区对液氢的超声衰减进行了实验研究,测量频率为45MHz。实验结果表明,液氢的超声衰减的温度依赖特性主要取决于体积粘滞效应。随着温度的降低,体积粘滞机制对超声衰减的贡献越来越大,对实验结果进行了讨论。     

室温至液氢温区奥氏体不锈钢力学性能分析

奥氏体不锈钢在低温工程中广泛使用,正逐渐成为新兴氢能产业中液氢储运容器、输送管路等的首选材料。本文收集了奥氏体不锈钢从室温到液氢温区的力学数据,综合分析了低温下其力学性能的变化规律,阐述了其低温力学性能变化机理,包括化学成分、晶粒尺寸和应变率等因素对奥氏体不锈钢力学性能的影响规律。研究结果表明：随着温度的降低,奥氏体不锈钢屈服强度和抗拉强度增加,塑性和冲击韧性降低,断裂韧性改善,     

液氢温区高频脉冲管制冷机蓄冷器研究

液氢温区制冷机蓄冷器材料的选择对制冷机的性能具有重要的影响。本文开展了液氢温区低温蓄冷材料的实验研究,系统研究了Pb球、Er_3Ni、HoCu_2、高目数不锈钢丝网等多种蓄冷材料对高频脉冲管制冷机的影响。实验测试结果表明,不锈钢丝网的实验效果仍为最佳;而Er_3 Ni的实验效果接近不锈钢丝网;Pb球作为几种蓄冷材料中比热容最高的材料,实验结果却是最差的;本文对此实验现象进行了分析和解释,以便为高频制冷机中蓄冷器材料的选择提供有益的指导和帮助。     

液氧加注系统阀控瞬变危害性仿真研究

对液氧加注系统中的直流式低温截止阀进行二维模型建立,利用FLUENT动网格技术和UDF函数对液氧加注时阀门的关闭过程进行动态模拟,分析管道中低温液氧的瞬变过程,对不同关阀时间和不同加注流量下瞬变压强进行研究,结果表明:关阀所用时间越长、加注流量越小瞬变危害性越小。研究可为液氧加注系统阀门控制提供理论依据,减小低温加注时的不稳定性。     

液氧煤油发动机预冷系统回流管绝热影响分析

低温液体火箭发动机循环预冷受多因素影响,针对液氧煤油发动机自然循环系统回流管绝热条件对预冷效果的影响进行理论分析和试验研究,得到了有意义的数据和结论,对后续型号自然循环预冷系统设计提供了依据.