超燃冲压发动机二次喷氢燃烧的数值研究

采用有限体积法求解可压缩N-S方程及组分方程,对直壁扩张燃烧室内二次喷氢补燃进行系统的数值模拟,对燃烧室内冷热态流场以及二次氢气的喷射角度、压力和温度等因素的影响进行了系统研究。研究结果表明,喷入二次氢气可以在一定程度上改善只喷一次氢气带来的问题,二次氢气的参数变化影响到燃烧室内的波系结构,能够使得氢-空气混合更加充分,更利于氢-空气的完全燃烧。     

三种不同结构超声速燃烧室流场的数值研究

采用有限体积法求解可压缩N-S方程及组分方程,对三种不同结构的超声速燃烧室进行了数值研究.研究结果表明,凹槽改变了燃烧室波系结构,促进氢气和空气的混合,利于燃烧,所形成的相对稳定的回流区可用于点火和稳定火焰;喷射二次氢气可消除仅一次喷氢所带来问题,进一步促进氢气和空气的混合及燃烧,但带来比较大的总压损失.      

两种超声速燃烧室内氢气燃烧的三维数值研究

通过隐式耦合求解可压缩N-S方程及组分方程,对台阶喷射燃烧室和支杆喷射燃烧室内的流场进行了三维数值研究.研究结果表明,支杆喷射燃烧室喷人氢气,在整个流道内产生的流向涡和横向涡更加强烈,更加能够促进氢气和空气在流向的对流掺混和扩散掺混效果,从而使得燃烧室内的掺混距离缩短;同时,这两个超声速燃烧室内的凹槽结构能起到增强掺混和稳定火焰的作用,使燃烧室后部燃烧区域增大.      

超音速燃烧室燃烧效率数学模型及气流状态参数的计算

本文分析及提出了超音速燃烧冲压发动机燃烧室燃烧效率的数学模型.该模型综合了氢气喷射方式、燃烧室进口气流参数以及燃烧室结构的影响因素.用这一数学模型求解一组一元流方程.计算出通过燃烧室的气流状态参数,计算结果与试验数据对比,证明这个模型是适用的.     

凹腔燃烧截面波系及温度场同步显示研究

凹腔作为超声速燃烧室的典型构型,对燃烧状态下的相关物理量进行准确诊断,有利于定量分析和研究超声速燃烧的机理。相对此前采用激光纹影等通程积分密度场显示方法,研究设计了一套锐聚焦深度小于1mm的激光聚焦纹影,用于显示凹腔截面的燃烧流场波系结构;同时利用羟基平面激光诱导荧光（OH-PLIF）和聚焦纹影同步诊断同一截面的温度场和密度场。试验结果表明,所显示截面内的波系结构清晰,得到了更多流场细节,同时也标记出了该截面内氢气燃烧状态,二者具有较好的一致性。该同步诊断结果可以更好地了解剪切层在燃烧室的运动及燃烧发展轨迹,以及不同参数的氢气喷射对剪切层和燃烧状态的影响等。获取同一截面的波系结构和燃烧状况的同步数据,对于研究燃料喷射以及凹腔燃烧等具有一定的参考价值。     

电阻加热器在超声速燃烧研究中的应用

建立了采用连续式电阻加热器的超声速燃烧室直连式试验平台,介绍了该试验平台的调试结果,可以满足飞行马赫数约3.0～4.5时进行超声速燃烧的试验要求.自行设计了采用凹槽火焰稳定器的超声速燃烧室试验模型,在超声速燃烧室直连式试验平台上,进行了来流总温约1 000 K,马赫数约2.0条件下氢气燃料的燃烧试验,研究了氢气与来流空气的当量油气比对超声速燃烧室内燃烧情况的影响.并在此基础上开展了氢气引燃煤油的点火试验研究,研究了氢气和煤油的喷射位置、喷孔直径等对煤油点火性能的影响.      

限流方法解耦燃烧与喷射过程的合理性研究

为了研究双模态超燃冲压发动机燃烧室在燃烧诱导的高背压环境下燃料的输运和分布情况,采用了限流方法模拟燃烧诱导的高背压环境。针对燃烧室中凹槽上游氢气燃料喷射工况的研究发现,限流试验的压力分布与燃烧试验压力分布在燃烧室前半段比较接近,证明二者的流场在燃料喷射段有一定的相似程度;数值模拟结果表明,相较于低背压状态下62%的混合效率,高背压状态下混合效率提高到了87%,并且燃烧状态下拍摄的火焰区域与限流状态下数值模拟的燃料的可燃质量分数范围相符,证明了限流方法解耦燃烧与喷射过程的合理性。     

驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析

为研究驻涡燃烧室在前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能,采用3维数值仿真模拟方法,对驻涡燃烧室前钝体燃料喷射 状况下的燃烧效率及燃烧室性能与无前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能进行了对比分析,并对驻涡燃烧室的冷流以及燃烧状态 下的燃烧室性能进行了系统研究。燃烧室温度分布表明：前钝体顶部燃料喷射在0.2~0.7的喷射系数范围内,缩短了燃烧室火焰 长度,提高了燃烧室在相同轴向长度下的燃烧效率,使燃烧室更加紧凑;驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射孔的孔径在一定范围内 的变化对燃烧室的燃烧效率、出口温度分布系数以及总压损失影响较小。     

超燃冲压发动机多凹腔串联燃烧室阻力研究

在直连式试验台上,采用等截面燃烧室对多个凹腔同侧串联布置的燃烧室的阻力进行了试验研究。分析了凹腔深度分别为10、15和20mm,凹腔长深比分别为5和7的不同凹腔组合、凹腔顺序、凹腔距离和凹腔数目在不同燃料当量比下的燃烧室内阻。研究结果表明,在同一燃料当量比下,燃烧室内串联凹腔数目越多,阻力越大,单个阻力较大的凹腔组合后总阻力较大;燃料喷射方式和当量比对燃烧室阻力变化规律影响较大,在小当量比时氢气燃烧放热将可能增加燃烧室内阻;相同当量比和燃料喷射方式下,氢气比煤油燃烧时阻力大;在合适的当量比和燃料喷射方式下煤油燃烧时组合凹腔可能产生正推力。     

超音速燃烧实验研究(Ⅰ)

用电弧加热空气,对带有突扩台阶的扩张形超燃冲压发动机燃烧室进行了实验研究.燃烧室入口Ma=2.1,总温、总压分别约为1200K和0.7MPa.燃料以垂直或平行于气流的方式喷射,采用氢气或煤油,均能在广宽的当量比范围内稳定燃烧.同时,也比较了它们的燃烧状况.     

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

氢氧火炬点火器低压燃烧流动仿真研究

为研究低压条件下氢氧喷注间距及液滴粒径对氢氧火炬式电点火器燃烧流动的影响规律,结合DPM离散相模型,采用6组分16步氢氧反应机理,选取考虑湍流燃烧效应的涡耗散概念燃烧模型进行仿真计算,并将结果与试验结果进行比对,温度结果符合得较好,压强计算偏差在5%以内,验证了仿真模型的准确性。仿真结果表明:低压条件下,氢氧喷注间距增加时,点火器头部内壁温度升高,室压降低,燃烧长度缩短;液氢液滴直径增大时,点火器头部内壁温度升高,室压降低,燃烧长度变长;改变液氧液滴直径对点火器燃烧流动影响较小。      

马赫数为4的超燃发动机碳氢燃料点火试验

在直连式脉冲燃烧风洞设备上,开展了模拟马赫数为4,总温为935K的超燃发动机碳氢燃料点火试验.试验利用了点火器加引导氢气、引导氢气自燃辅助点火、节流加引导氢气3种辅助点火方式成功实现了乙烯燃料的点火并维持了稳定燃烧.试验研究发现:利用氢气自燃辅助乙烯点火,氢气质量流量范围为0.43~12.61g/s,氢气质量流量过大不能成功点火;利用节流加引导氢气的辅助点火方式,节流量为10%~30%,氢气注油压力为5MPa能够可靠点火.最后研究了乙烯从凹槽上游和从凹槽底部注油的发动机贫油点火极限和富油工作极限,研究发现两者的贫油熄火极限相近,为当量比为0.077,而富油工作极限差别较大,当量比分别为0.327和0.471.      

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3 600 K,主流空气流量为220~1 490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。      

氢气超音速燃烧非定常过程数值模拟

用有限差分法求解二维Ｎ－Ｓ方程和组分守恒方程，使用代数涡粘性湍流模型，两步化学反应模型和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂法，模拟超音速气流中横喷氢气自动着火及火焰传播过程，清晰地描述了喷氢、火焰传播到主流、稳定燃烧过程中，温度、压力、速度和油气当量比的变化。计算结果表明，高温附面层和喷嘴前回流区能促使氢气自动着火，进口气流的静温是火焰向主流传播的重要影响因素。计算还证明了喷嘴后氢与空气两股流呈现平行流动，其间存在着强烈的湍流交换和化学反应边界层，超音速燃烧效率则主要取决于两股气流的混合速率。     

超声速气流中煤油射流的等离子体点火实验

在直连式超燃实验台上开展来流马赫数为2.5,总温为1650K的液态煤油燃料点火实验.在未使用引导氢气的情况下,利用输入能量为1.5kW的电弧等离子体炬实现煤油可靠点火和稳定燃烧.研究了煤油的不同喷注位置、喷射压力对点火性能的影响.实验表明:燃料喷口距离点火凹腔为550mm,喷射压力为1.5~2.3MPa时,可成功点火,更近的喷射位置和更高的喷射压力无法点火,分析认为点火凹腔的局部混合特征是影响点火的关键因素.根据点火和火焰前传的高速摄影图,发现下游凹腔在点火初期的作用不大,但是对于稳定燃烧和火焰前传有重要作用.      

凹腔稳定的超声速火焰结构的实验研究

凹腔是高湍流度超声速燃烧的火焰稳定装置。为研究其尺寸结构及喷注位置对不同燃料燃烧性能的影响,设计了不同凹腔、不同位置横向喷注的氢及乙烯的超燃实验,拍摄了凹腔内OH.基与CH.基自发辐射火焰图像。并利用非线性分形的研究方法,分析了火焰分形维数与燃烧程度及火焰稳定性的关系。用大涡模拟方法对二维凹腔氢超燃流场进行了数值仿真,分析了凹腔流场结构,并对凹腔后缘压力时间序列进行了相空间重构,计算了其分形维数。实验及仿真结果均表明:燃烧的分形维数高时,燃料与空气接触充分,燃烧剧烈,易于火焰稳定。     

马赫数10超燃冲压发动机激波风洞实验研究

基于室温氢气驱动激波风洞实现总压28MPa、总焓4.7MJ/kg、名义马赫数10超声速空气自由来流模拟,开展二维超燃冲压发动机自由射流点火实验,实现稳定燃烧,燃烧持续时间5ms。通过此次试验,探索尝试了马赫数10超燃冲压发动机地面点火燃烧试验技术,初步获得了高马赫超燃冲压发动机点火/燃烧过程参数和基本现象规律。试验中,采用高速相机完整记录了氢气喷注、着火、燃烧现象和燃烧持续过程,采用高频压力传感器和热电偶进行沿程壁面压力和热流测量。研究结果表明,马赫数10自由来流条件下,气态氢燃料垂直喷入超声速来流能够实现自点火,并发生剧烈燃烧,燃烧区域压力上升幅度40%,壁面热流上升幅度达100%。     

氢气引导乙烯火焰非定常燃烧过程

基于脉冲燃烧直连式试验台，开展了超燃冲压发动机氢气引导乙烯火焰的非定常燃烧过程研究。燃烧室入口条件为马赫数2、总温950 K和总压1.0 MPa。试验过程分为4个阶段：冷流、引导氢气单独燃烧、引导氢气点燃乙烯、乙烯单独燃烧。基于高频壁面压力测量和火焰荧光高速摄影，获得了代表性测点的压力时间曲线及燃烧室内火焰发展历程，提取了压力平均值、振荡幅度和频率、着火时间及反应位置等重要信息，分析了不同燃烧阶段的非定常特性。试验结果表明：在氢气单独燃烧阶段，非定常特性源于凹槽后斜坡区域氢气反应强度的变化。在氢气点燃乙烯阶段，非定常特性由氢气和乙烯火焰的“交接”引起。在乙烯单独燃烧阶段，非定常特性由燃烧和超声速流动之间的耦合引起。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。