一种波瓣混合器超级燃烧室的掺混特性

为了使涡轮基组合循环发动机超级燃烧室的涡扇涵道和冲压涵道两股气流具有高效低阻的掺混特性,设计了一种结构简单的方形波瓣混合器.用数值模拟方法对该方形波瓣混合器与常规混合器进行了比较分析,结果表明方形波瓣混合器具有与菊花型波瓣混合器相似的流向涡高效低阻掺混特性.进行混合器结构参数变化对掺混特性的影响研究发现扩张角对方形波瓣混合器的热混合效率的影响起主要作用,而出口高度的影响不大;当方形波瓣混合器的波长比为1.0时,方形波瓣混合器具有高效低阻的掺混特性.     

波瓣混合器流场试验

为了获得加力燃烧室波瓣混合器内的三维流场,采用带热电偶的五孔探针对波瓣混合器内的流场进行了测量.通过试验,得到了波瓣混合器出口不同截面的速度场和温度场,以及波瓣混合器沿流向的热混合效率、总压恢复系数变化规律.试验结果表明:在波瓣混合器尾缘处会产生一对相互逆转的流向涡,流向涡的产生加强了内、外涵气流的对流混合;越靠近波瓣混合器尾缘,内、外涵掺混能力越强,热混合效率增加速度越快,总压恢复系数下降也越快.     

波瓣混合器涡系结构及射流掺混机理的数值研究

借助流体力学软件ANSYS CFX,对波瓣混合器射流掺混流场进行了全三维定常数值模拟,研究了流场中各涡系结构的形成机理及发展过程,并详细探讨了其加速射流掺混过程的作用机制.结果表明:基于SST(shear stress transport)模型的封闭N-S方程能较好地模拟波瓣混合器射流掺混过程,波瓣特殊几何外形诱导产生的流向涡主要通过扭曲内外涵交界面的间接方式加速射流掺混过程,波瓣下游剪切层中K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性发展而成的正交涡是直接加速射流掺混的关键因素,波谷附近二次流之间的相互作用所产生的通道涡对该区域内的射流掺混有明显的加速作用,受波瓣前缘切割的边界层在径向压力梯度作用下沿波瓣表面卷起而形成的马蹄涡对射流掺混的影响不是特别明显.      

混合器中燃气/空气掺混特性研究

合理的混合器结构对组合动力系统的高效燃烧和推进性能具有重要意义。为了获得最佳掺混效果,缩短燃烧室长度,利用CFD程序分别对环形、旋流器型和波瓣混合器中内、外涵燃气/空气的流动和掺混特性进行了全三维数值模拟。燃气为甲烷液氧富燃燃气。结果表明：无论采用何种混合器,随着掺混距离的增加,总温和组分均趋均匀;其中,波瓣混合器的掺混效果最好,内外双旋流型混合器的掺混效果次之,环形混合器的掺混效果较差;环形混合器内涵燃气喷射角度对燃气/空气掺混效果具有一定的影响,燃气与轴向成15°喷射时,掺混效果优于无角度喷射。     

超级燃烧室混合室掺混特性数值研究

为了满足TBCC超级燃烧室的各工作模式下的低阻高效混合,设计了两种采用方形波瓣混合器和结构可调的导流片相结合的强化掺混方案。方案A由上下扩张角不等的波瓣混合器和处于波谷上方的离散状导流片组成,波瓣混合器正对于分流环;方案B由全环形导流片和上下等扩张角的波瓣混合器组成,波瓣混合器的中径小于分流环直径。通过数值研究对比分析了两种混合方案的流动特征发现,两种方案都未出现倒流和流动分离现象;除冲压模态时的波峰截面方案B的流线分布较为理想外,其它工作状态下方案A波峰和波谷截面流线分布均优越方案B。通过对总压恢复系数、热混合效率及动量混合系数的对比发现,混合方案A在飞行Ma03的各工作状态下的总压恢复系数均高于方案B最多高3.5%且能在较短的掺混距离内使内外涵气流的温度和速度混合均匀。考虑到兼顾飞行Ma03范围内的低阻高效混合要求,方案A具有良好的强化掺混特性。     

新型消旋波瓣混合器射流掺混机理研究

为了消除高进口预旋时波瓣混合器表面流动分离,将基准波瓣混合器侧壁直叶瓣设计成类叶型式的折转叶瓣,形成一种新型消旋波瓣混合器。研究了多种进口预旋工况下消旋波瓣性能参数、涡系发展以及射流掺混机理与基准直波瓣的异同。结果表明:新型消旋波瓣改善了进口预旋工况下波瓣吸力面压力分布;重新组织了波瓣出口截面气流周向角度的径向分布。在进口预旋超过10°以后,消旋波瓣混合器的总压损失以及波瓣式喷管的总压损失均小于基准直波瓣。消旋波瓣混合器在高进口预旋时性能优异,波瓣出口截面周向气流确实加速了下游射流掺混。     

椭圆形切扇修形对波瓣混合器掺混性能影响

在保证面积不变的情况下,选取不同的长轴、短轴,对波瓣混合器进行椭圆形切扇修形,研究切口深度与宽度对波瓣混合器掺混性能的影响规律。使用商用 CFD 软件对流场进行数值模拟。结果显示,对波瓣侧壁进行切扇处理会加强流向涡的强度,切扇越深,流向涡强度越大;切扇波瓣流向涡的耗散速率要大于基准波瓣混合器的流向涡耗散速率,预示着更为高效的掺混;引射系数与切口深度成正比,而总压恢复系数与切口深度成反比。考察了两种衡量热混合效率的模型并对其信度进行了比较,发现在 x =0.4 m 之前切扇可以提高热混合效率,而在 x =0.4 m 之后,基准波瓣混合器热混合效率要大于切扇波瓣混合器。     

进口预旋条件下波瓣混合器强制掺混机理

以波瓣混合器为研究对象,通过试验和数值计算的方法研究了其强制射流掺混的机理及进口预旋对射流掺混的作用机制.结果表明:κ-ωSST模型能较好地模拟波瓣射流掺混过程;波瓣贯穿区径向压力梯度所诱导的大尺度流向涡在射流掺混过程中起支配作用;与轴向进气工况相比,进口预旋导致附加流向涡对及中心锥下游回流区的形成,强化了射流涡系间相互作用,加速了射流掺混过程.     

新型热混合效率公式及其在一体化加力燃烧室中的应用

为了解决国内外普遍使用的刘-谢热混合效率公式不能适用于有内热源流场(如加力燃烧)的问题,提出了一种新型的刘-杜热混合效率公式。该公式能够同时适用于有无内热源工况(如加力和非加力燃烧)下热混合效率的计算分析研究。基于公式推演结果,对新型热混合效率公式的取值极限进行了理论验证。通过同一非加力状态下与刘-谢热混合效率公式的对比分析,验证了新型热混合效率公式的正确性。接着,利用该公式研究了一体化加力燃烧室加力燃烧工况下波瓣混合器内扩张角对流体掺混过程的影响规律。在混合的后半段区域中,随着波瓣内扩张角增加,同一截面上混合流体对应的刘-杜热混合效率逐渐上升。在出口截面上,内扩张角25°模型对应的刘-杜热混合效率为0.779,相对于内扩张角0°模型增加了10.9%。     

波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣S型混合二元喷管,保持波瓣混合器长度、内扩张角、外扩张角以及宽高比不变,依次取波瓣混合器波瓣数为12,14,16,18,20,建立了一组具有不同波瓣数的波瓣S型混合二元喷管模型.采用经过验证的CFD方法,研究了波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能的影响规律.结果表明:在波瓣尾缘截面至第1个S弯截面区域,波瓣数对流体混合程度产生很大影响,并且热混合效率近乎随波瓣数增加而增加.在第1个S弯截面至波瓣S型混合二元喷管出口截面区域,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的总压恢复系数始终最低,其余模型的总压恢复系数以及热混合效率没有明显差别.在波瓣S型混合二元喷管出口截面上,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的热混合效率最高,达到0.850,然而其总压恢复系数相对于该截面上最高值下降了0.289%.此外,波瓣S型混合二元喷管的渐缩型流道能够提高流向涡强迫混合效果,但同时也加速流向涡的耗散速率.      

带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响

针对波瓣混合器进行了一系列的数值计算和模型实验研究,揭示了带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响.实验结果表明:混合管长径比小于2时,带拐弯混合管会造成高温气流在出口截面呈月牙形分布,月牙形包围着一个回流区,该回流现象对引射性能不利,计算结果则验证了该气流分布,认为带拐弯混合管降低了波瓣混合器的引射效率,为改善其引射性能,应该加长混合管使得混合管的长径比大于等于2.计算结果还发现了波瓣混合器的最佳长径比为2,且该值不随面积比变化,和最佳长径比为6的圆管混合器相比,波瓣混合器可以有效缩短混合管的长度.另外,进一步给出了引射比与长径比的拟合关系式.      

水下超声速射流对上浮水雷受力特性影响研究

固体火箭发动机具有功率密度大、推力大等优势,常被用于上浮水雷的推进器。然而发动机在水下工作时燃气射流使流场压力发生剧烈脉动,进而影响发动机的推力性能及上浮水雷的受力特性。基于VOF多相流模型和理想气体模型,建立了上浮水雷在不同工作状态(欠膨胀、完全膨胀、过膨胀)下的数值模型,研究了水下燃气喷射流对上浮水雷的受力特性影响。结果显示,欠膨胀工况时,发动机推力平缓,大小为12.2KN,上浮水雷受力未出现负值;完全膨胀时,射流发生颈缩、胀鼓现象位置距离雷体较远,导致发动机推力及水雷壳体受力振荡不剧烈;过膨胀工况时,射流发生颈缩、胀鼓现象距离喷管较近,发动机推力发生剧烈脉动,产生21.37%的振荡幅度,胀鼓现象发生时,流场压力显著降低使得上浮水雷后体受力减小,壳体阻力增大,上浮水雷最大产生27KN的负推力。     

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

菊花形混合器混合效率理论计算

在菊花形混合器混合增强机理深入分析的基础上,采用环形流线流动模型、平板火焰扩散模型以及三维细长体近似法等,提出了涡扇发动机内外涵菊花形混合器在相同出口面积条件下,相对于环形混合器,其混合效率的解析解.对某涡扇发动机的多工况计算结果表明,菊花形混合器混合效率解析解的计算精度较高,可以用于菊花形混合器混合效率的快速计算.      

水下超声速气流流场非定常特性研究

上浮水雷在工作过程中环境压力大幅度变化，针对上浮水雷火箭发动机具有三种不同工作状态（欠膨胀、完全膨胀、过膨胀）的特点，采用VOF两相流模型，建立了水下火箭发动机在不同工作状态喷射流发展的轴对称计算模型，分别在来流速度0m/s和50m/s两种工况下，研究了水下发动机在不同工作状态时喷射流发展规律及流场脉动特性。结果显示，在静水条件下，欠膨胀工况时颈缩发生位置距喷管出口较远，流场压力和喉部流量没有发生脉动现象，其它工况时颈缩发生位置距喷管出口较近，完全膨胀工况和过膨胀工况喷管出口最大压力振幅分别为5.5MPa，7MPa；喷管喉部流量振动幅度约为5.2%，32.8%；在有流速条件下，三种工作状态发生颈缩、胀鼓和回击现象的位置距离喷管出口较远，完全膨胀喷管出口最大压力振幅为2MPa，喷管喉部流量未发生脉动特性，过膨胀工况喷管出口最大压力振幅6.1MPa，喉部流量振动幅度30.4%。