基于TDLAS技术的喉栓式变推力发动机羽流速度特性

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28107

Abstract

Abstract:

To investigate the plume velocity characteristics， a numerical simulation model of plume of the pintle controlled solid rocket motor considering afterburning reaction is established， using the finite-rate reaction model and dynamic mesh. The model is combined with Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy （TDLAS） technology to calculate the plume velocity. The transient flow field during the pintle motion is analyzed， and the effects of after-burning reactions and measurement position on velocity measurement investigated. The results show that the transient plume field changes periodically with the reciprocal motion of the pintle. When the pintle tends to close the nozzle， a strong shock wave appears near the nozzle. The downstream plume velocity distribution is more uniform， indicating the reduced influence of the velocity gradient on TDLAS measurement； the afterburning reaction leads to significant changes in the downstream velocity and H₂O component distribution of the plume. Along the downstream direction， the influence of afterburning on the oscillation amplitude of the velocity along the TDLAS optical path gradually increases. In practice， to reduce the influence of afterburning and the velocity gradient， the measuring position should be closer to the nozzle to obtain measurement closer to the axis velocity.

Key words: pintle controlled solid rocket motor, plume velocity, tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), dynamic regulation, afterburning reaction

CLC Number:

V435⁺.1

Ruyao WANG, Anchen SONG, Limin WANG, Deyou WANG, Junwei LI, Ningfei WANG. Plume velocity characteristics of pintle controlled solid rocket motor based on TDLAS technique[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(17): 128107-128107.

Figures/Tables 17

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References 28

1	张淑慧，胡波，孟雅桃. 推力可控固体火箭发动机应用及发展［J］. 固体火箭技术， 2002， 25（4）： 12-15.
	ZHANG S H， HU B， MENG Y T. Application and development of controllable solid rocket motor［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2002， 25（4）： 12-15 （in Chinese）.
2	KO H， LEE J. Cold tests and the dynamic characteristics of the pintle type solid rocket motor： AIAA-2013-4079 ［R］. Reston： AIAA， 2013.
3	王毅林，何国强，李江，等. 非同轴式喉栓变推力固体发动机试验［J］. 固体火箭技术， 2008， 31（1）： 43-46.
	WANG Y L， HE G Q， LI J， et al. Experiment on non-coaxial variable thrust pintle solid motor［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2008， 31（1）： 43-46 （in Chinese）.
4	魏祥庚，何国强，李江，等. 非同轴式喉栓变推力发动机压强响应分析［J］. 固体火箭技术， 2009， 32（4）： 409-412.
	WEI X G， HE G Q， LI J， et al. Analysis on response of pressure in non-coaxial variable thrust pintle motor［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2009， 32（4）： 409-412 （in Chinese）.
5	王佳兴，魏志军，王宁飞. 高燃温喉栓式变推力固体火箭发动机试验［J］. 推进技术， 2012， 33（1）： 89-92.
	WANG J X， WEI Z J， WANG N F. High burning temperature experiment on pintle controlled solid motor［J］. Journal of Propulsion Technology， 2012， 33（1）： 89-92 （in Chinese）.
6	SONG A C， WANG N F， LI J W， et al. Transient flow characteristics and performance of a solid rocket motor with a pintle valve［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2020， 33（12）： 3189-3205.
7	王鹏宇，王政涛，武泽平，等. 多工况下变推力固体发动机喉栓喷管型面一体化优化设计［J］. 固体火箭技术， 2022， 45（3）： 337-342.
	WANG P Y， WANG Z T， WU Z P， et al. Optimization design for contour of pintle nozzle for variable thrust solid rocket motor under multiple working conditions［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2022， 45（3）： 337-342 （in Chinese）.
8	马宝印，李军伟，王兴起，等. 针栓变推力固体火箭发动机动态响应特性研究［J］. 推进技术， 2020， 41（10）： 2161-2172.
	MA B Y， LI J W， WANG X Q， et al. Simulation on dynamic response characteristics of pintle variable thrust solid rocket motor［J］. Journal of Propulsion Technology， 2020， 41（10）： 2161-2172 （in Chinese）.
9	杨燕京，赵凤起，孙美，等. 基于TDLAS技术的双基系推进剂装药排气羽流流速特性研究［J］. 火炸药学报， 2016， 39（3）： 70-74.
	YANG Y J， ZHAO F Q， SUN M， et al. Investigations on the exhaust plume velocity characteristics of double-base and CMDB propellants charge based on TDLAS technique［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants， 2016， 39（3）： 70-74 （in Chinese）.
10	李猛，孙美，赵凤起，等. 三种典型固体推进剂排气羽流特性参数的模拟计算［J］. 火炸药学报， 2018， 41（1）： 86-92.
	LI M， SUN M， ZHAO F Q， et al. Numerical calculation of the exhaust plume characteristic parameters of three typical solid propellants［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants， 2018， 41（1）： 86-92 （in Chinese）.
11	VARADE V， AGRAWAL A， PRABHU S V， et al. Velocity measurement in low Reynolds and low Mach number slip flow through a tube［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 2015， 60： 284-289.
12	LIU L， NAN X， LIN F. Flow measurements near the open surfaces of single circumferential grooves in a low-speed axial compressor［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 78： 531-541.
13	刘鹏飞. 高温烟气流速测量系统关键技术的研究［D］. 南京：东南大学， 2018.
	LIU P F. Key techniques research for high-temperature flue gas velocity measurement system［D］. Nanjing： Southeast University， 2018 （in Chinese）.
14	PHILIPPE L C， HANSON R K. Laser diode wavelength-modulation spectroscopy for simultaneous measurement of temperature， pressure， and velocity in shock-heated oxygen flows［J］. Applied Optics， 1993， 32（30）： 6090-6103.
15	WEHE S D. Development of a tunable diode laser probe for measurements in hypervelocity flows［D］. Stanford： Stanford University， 2000.
16	CHANG L S， JEFFRIES J B， HANSON R K. Mass flux sensing via tunable diode laser absorption of water vapor［J］. AIAA Journal， 2010， 48（11）： 2687-2693.
17	RIEKER G B， JEFFRIES J B， HANSON R K， et al. Diode laser-based detection of combustor instabilities with application to a scramjet engine［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2009， 32（1）： 831-838.
18	GRUBER M， CARTER C， RYAN M， et al. Laser-based measurements of OH， temperature， and water vapor concentration in a hydrocarbon-fueled scramjet： AIAA-2008-5070［R］. Reston： AIAA， 2008.
19	CHANG L S， STRAND C L， JEFFRIES J B， et al. Supersonic mass-flux measurements via tunable diode laser absorption and nonuniform flow modeling［J］. AIAA Journal， 2011， 49（12）： 2783-2791.
20	姚路，姚德龙，仪建华，等. 基于TDLAS的固体推进剂装药羽流流速测量方法［J］. 火炸药学报， 2016， 39（5）： 35-39， 45.
	YAO L， YAO D L， YI J H， et al. Measurement method of plume velocity for solid propellant charge based on TDLAS［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants， 2016， 39（5）： 35-39， 45 （in Chinese）.
21	杨斌，何国强，刘佩进，等. 利用TDLAS技术开展吸气式发动机来流热试实验参数测量［J］. 中国激光， 2011， 38（5）： 224-229.
	YANG B， HE G Q， LIU P J， et al. TDLAS-based measurements of parameters for incoming flow hot-firing test of air-breathing rocket engine［J］. Chinese Journal of Lasers， 2011， 38（5）： 224-229 （in Chinese）.
22	杨斌，齐宗满，杨荟楠，等. 基于TDLAS的燃烧流场速度测量方法［J］. 燃烧科学与技术， 2015， 21（6）： 516-520.
	YANG B， QI Z M， YANG H N， et al. Velocity measurement method based on TDLAS for combustion flow［J］. Journal of Combustion Science and Technology， 2015， 21（6）： 516-520 （in Chinese）.
23	SONG A C， QIN Z， LI J W， et al. Real-time plume velocity measurement of solid propellant rocket motors using TDLAS technique［J］. Propellants， Explosives， Pyrotechnics， 2021， 46（4）： 636-653.
24	刘佩进，王志新，杨斌，等. 结合吸收光谱与互相关法的燃气速度测量方法研究［J］. 光谱学与光谱分析， 2017， 37（2）： 532-536.
	LIU P J， WANG Z X， YANG B， et al. Research on measurement method of gas velocity combined absorption spectroscopy technique and cross-correlation［J］. Spectroscopy and Spectral Analysis， 2017， 37（2）： 532-536 （in Chinese）.
25	LIU C， XU L J， CAO Z. Measurement of nonuniform temperature and concentration distributions by combining line-of-sight tunable diode laser absorption spectroscopy with regularization methods［J］. Applied Optics， 2013， 52（20）： 4827.
26	SCHULTZ I A， GOLDENSTEIN C S， JEFFRIES J B， et al. Spatially-resolved TDLAS measurements of temperature， H₂O column density， and velocity in a direct-connect scramjet combustor： AIAA-2014-1241［R］. Reston： AIAA， 2014.
27	王伟臣，魏志军，张峤，等. 后燃对火箭发动机羽流红外特性的影响［J］. 航空动力学报， 2010， 25（11）： 2612-2618.
	WANG W C， WEI Z J， ZHANG Q， et al. Influence of afterburning on infrared signature of rocket motor exhaust plume［J］. Journal of Aerospace Power， 2010， 25（11）： 2612-2618 （in Chinese）.
28	WANG W C， LI S P， ZHANG Q， et al. Infrared radiation signature of exhaust plume from solid propellants with different energy characteristics［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2013， 26（3）： 594-600.

测量位置/m	速度随时间变化曲线	幅频特性曲线
0.20
0.25
0.30

测量位置/m	速度随时间变化曲线	幅频特性曲线
0.35
0.40

[1]	LUO Jiong, LI Zhihong, CHEN Ke, XIANG Huan. Unsteady numerical simulation of variable geometry axisymmetric inlet based on overset grid [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2022, 43(12): 627028-627028.
[2]	CHEN Wei, WU Yue, HUANG Zhenjun, WANG Lei, YUAN Jie, HU Jianghua, WANG Maogang, ZHU Tao. Monitoring copper species in flow of arc-heated wind tunnel based on TDLAS [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2019, 40(8): 122841-122841.

Plume velocity characteristics of pintle controlled solid rocket motor based on TDLAS technique

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