基于500 Hz OH-PLIF技术的超声速燃烧室火焰结构

针对超声速燃烧室火焰驻留时间短和高湍流度的特点,利用500 Hz高频OH-PLIF(planar laser induced fluorescence)技术,研究了氢燃料超声速燃烧室火焰结构,结合壁面压力,获得了点火、稳焰以及熄火过程的规律。结果表明：隔离段入口来流马赫数为2的情况下,氢气当量比0.1和0.3,在火花塞点火下,2 ms均能点燃并获得PLIF火焰图像,其中当量比为0.1凹槽内存在爆燃现象,火焰达到稳定燃烧状态较慢(约65 ms)。稳焰过程中,当量比为0.3燃烧相对不充分,燃烧区域更靠近下壁面,燃烧位置和火核位置变化较大。当量比为0.1和0.3,熄火时间均在6 ms内,其中当量比为0.1熄火时火焰是从凹腔中部传播到凹腔前缘位置熄灭并伴随有一个短暂火焰增强的过程,并且在传播至凹腔前缘时已接近熄灭,当量比为0.3在熄灭前则是慢慢变弱,最终在凹腔前缘至喷氢位置间熄灭。     

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

并联凹腔火焰稳定器超声速燃烧特性实验研究

为研究并联凹腔火焰稳定器的超声速燃烧特性,通过在凹腔上游喷注乙烯,采用单边扩张型燃烧室在当量比φ=0.43~1.07内进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=3.46,总温Tt=1430K。基于燃烧室壁面静压分布、推力增益、燃料比冲和燃烧流场的可见光与纹影图像分析了并联凹腔在不同当量比下的火焰结构、流场特征和燃烧性能。结果表明,上、下壁面凹腔附近的流动条件差异显著,燃烧过程与当地流动条件之间的强烈耦合作用使得燃烧室内火焰分布显著不对称。发动机燃烧性能对当量比十分敏感,壁面静压水平和推力增益随当量比增加持续升高,但φ=0.43~0.62时的增加速率远大于φ=0.76~1.07时的。φ=0.43~0.62时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而升高;而φ=0.76~1.07时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而降低。     

基于高速摄影图像处理统计分析的点火过程试验

针对空气来流马赫数为2.1、总温为846K,总压为0.7MPa的条件下凹腔内的强迫点火过程,利用高速摄影观测了凹腔主动喷注方式的乙烯强迫点火试验.基于高速摄影图像的合成分析和概率统计,提出了能够定量分析出点火过程凹腔火焰稳定和燃烧室火焰分布的试验研究方法;利用该研究方法,采用主动喷注方式在全局当量比为0.15和0.17(相应的主动喷注当量比分别为0.04和0.06)的条件下,对比研究了采用凹腔后壁面喷注的喷注方案和采用凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方案的点火试验过程;定量分析了这两种喷注方案点火后的凹腔火焰稳定和燃烧室内的火焰分布.当凹腔主动喷注当量比为0.04时,点火凹腔内并没有形成良好的局部压力反馈,火焰在点火凹腔内常以不连续形式稳定存在.当主动喷注当量比达到0.06时,整个燃烧室的火焰分布要更加均匀.针对超声速来流条件下的点火过程瞬态图像,该方法能够有效地开展定性分析和定量研究.      

联焰板宽度对单凹腔驻涡燃烧室冷态流场特性影响的试验研究

为了研究联焰板宽度对单凹腔驻涡燃烧室冷态流场特性的影响,设计了一个带扩压器和机匣的单凹腔驻涡燃烧室,并在此基础上通过改变联焰板宽度进行了冷态流场试验。试验在常温常压状态下进行,试验中的主要研究参数如下:在保持联焰板数目不变时,联焰板宽度分别为40mm,30mm,20mm;在改变联焰板数目时,联焰板数目分别为1,3。研究结果表明:在主流中心(PM)截面上,凹腔内存在双涡流动结构,主涡位于凹腔的中间位置,约占凹腔区域面积的80%;副涡位于主涡与主流之间,约占凹腔区域面积的20%。在联焰板中心(PA)截面上,不同的联焰板宽度会形成两种不同的流线形态,当联焰板宽度较宽时,凹腔内为单涡流动结构,仅存在主涡结构,主涡回流气流沿联焰板向火焰筒下壁面流动;当联焰板宽度较窄时,凹腔内为双涡流动结构,主流气流卷入联焰板后。联焰板宽度对流场特性的影响可以总结为:当联焰板宽度减小时,在PM截面上,凹腔副涡涡心位置在轴向上向上游移动,在径向上向主流移动,主流气流向凹腔扩张程度变小;在PA截面上,联焰板后出现主流和旋涡结构。     

超燃冲压发动机多凹腔燃烧室混合与燃烧性能定量分析

为从定量上研究超燃冲压发动机多凹腔燃烧室对增强混合、燃烧的影响,用大涡模拟方法和火焰面模型对燃料当量比为0.062的流场进行数值模拟。比较了不同多凹腔构型对混合效率、燃烧效率和总压损失的影响,并结合壁面压力分布、数值纹影解释了其原因。结果表明,凹腔串联、凹腔并联均能增强混合,混合效率最大可提高20.95%和9.52%;凹腔串联、凹腔并联均能增强燃烧,燃烧效率最大可提高14%和16.94%;燃烧时凹腔串联总压损失最小,但凹腔并联燃烧放热最快,对缩短燃烧室长度有利。     

凹腔火焰稳定器阻力特性的实验研究

在超燃冲压发动机直连式实验中,模拟马赫数1.92、静温509K、静压86.6kPa来流,采用等截面燃烧室构型,利用推力测量系统对不同结构尺寸的开式凹腔火焰稳定器的冷流阻力和热试阻力进行了研究。通过对深度分别为10,15,20mm,长深比4~10,后壁倾斜角18°~60°的凹腔火焰稳定器的冷流阻力比较,实验表明凹腔火焰稳定器的冷流阻力与凹腔深度成正比;也与凹腔长深比成正比;并随后壁倾斜角的增大先减小后增大,在30°~60°范围内应存在一个角度使得冷流阻力最小。实验还以氢气为燃料,利用火花塞点火器进行点火,在燃烧模态下对不同喷注位置、不同当量比时的凹腔火焰稳定器阻力特性进行了对比,结果表明凹腔火焰稳定器的热试阻力比冷流阻力小,且受燃料喷注方式的影响较大;在实际超燃冲压发动机工况下,凹腔火焰稳定器的阻力随着当量比的增加而减小,并最终会表现为正推力。     

部分预混燃烧室热声不稳定及火焰结构实验分析

为探明旋流部分预混燃烧室热声不稳定特性及其与火焰结构关系，进行了自激热声实验。采用重构相图解析压力脉动、采用瑞利指数表征其与热释放率脉动关系、采用本征正交分解获得火焰相干结构。结果表明:随当量比增加，压力脉动呈现低振幅脉动、间歇振荡、极限环振荡和低振幅脉动，脉动频率受腔体1阶纯声学模态（特征频率约80.8 Hz）控制。未发生振荡，瑞利指数维持在零值；热声不稳定时，瑞利指数在零值以上。本征正交分解表明，极限环振荡，前2阶模态（模态能量占比55%以上）火焰分布沿纵向发生变明和变暗交替变化，由连续涡脱落导致，且模态时间系数频率83.2 Hz与压力脉动频率83.3 Hz一致；低当量比，模态无明显空间分布规律；间歇振荡，主导模态为火焰轴对称热释放率变化；高当量比，火焰仅外边缘沿纵向发生大尺度脉动。      

超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征

对Ma=1.7的空气超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征进行了实验和数值模拟研究。在喷注的模拟燃料氦气中添加丙酮,采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)观测了设置开式凹腔时燃料在展向和流向的空间分布。针对下游布置不同凹腔时燃料分布相似的实验结果,选取L/D=7的凹腔对其燃料混合流场进行了大涡模拟。实验和仿真结果表明:实验来流条件下喷注燃料大部分直接由喷流引起的上升反转旋涡对带走,只有小部分燃料经由喷流与凹腔流动涡结构的相互作用进入凹腔剪切层,并随剪切层运动对流进入凹腔内部。     

煤油—氢双燃料超声速燃烧点火特性研究

煤油－氢双燃料的超声速燃烧室中的自点火和燃烧稳定特性在直联式验装置上进行了实验研究。实验空气总温1650－1980K,总压基本保持在1.8MPa左右,燃烧室进口M数为2．5。用激光粒度仪测量了加压下煤油的雾化程度,为了寻找能点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比,设计加工了四种不同构型引导火焰与凹稳焰一体腔结构,利用氢引导火焰局部地加速煤油的化学反应和凹腔的联合促进作用与优化结合,发现在没有强迫点火能源条件下点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比较降低至0．03。燃烧室的性能用简化的一维计算机程序SSC－3作了初步估算。在长度425mm的燃烧室中获得了煤油的燃烧放率50％,引导火焰凹腔一体化结构对点火特性和性能的影响作了讨论。     

正癸烷在模型超燃燃烧室中的燃烧特性研究

为探究正癸烷在双凹腔结构的模型超燃燃烧室中的燃烧特性,试验采用蓄热式加热器提供高焓纯净空气,燃烧室进口的Ma数为2.03,来流总温在800K~1100K,常温液态的正癸烷经凹腔上游的直射式燃料喷嘴进入燃烧室。通过对试验过程中燃烧室壁面压力和流场中的CH*基分布的分析,发现了正癸烷的两种稳焰模式:双凹腔稳焰模式和单凹腔稳焰模式。双凹腔稳焰模式是通过射流形成的尾迹区和凹腔中的回流区共同作用实现稳焰;单凹腔稳焰模式则是通过主流中的激波与边界层干涉形成分离区与凹腔中的回流区实现稳焰。随着试验来流总温的降低,正癸烷的稳焰模式从双凹腔稳焰转变为单凹腔稳焰,直到稳焰失败,模式转变温度和临界稳焰温度分别为876K和842K。还利用一维分析方法对两种稳焰模式的燃烧效率、Ma数分布以及总压恢复系数进行了比较,结果发现双凹腔稳焰模式的燃烧效率和总压恢复系数均大于单凹腔稳焰模式。     

钝体改进结构对先进旋涡燃烧室燃烧流动特性影响

为探究先进旋涡燃烧室凹腔稳焰机制,提出了一种后钝体结构改进方案,并对改进后的燃烧室燃烧特性进行了预混和非预混燃烧数值模拟.结果表明:预混燃烧条件下,当量比为0.6和1.0时,钝体改进结构可有效增强凹腔内旋涡流动强度,增加凹腔内温度,同时使温度分布更加均匀.另外,凹腔内温度随预混进气速度增加而增加,且当速度增大到一定值时,温度变化不明显;非预混燃烧条件下,钝体改进结构可改善凹腔内旋涡流动及温度分布,在贫油燃烧状态时,凹腔内仍可维持较高的温度;钝体改进使燃烧室质量更小,具有一定的工程参考意义.     

单边扩张燃烧室燃烧非对称及非稳态现象研究

为了探究单边扩张超声速燃烧室在不同当量比下出现的多种模态及其内在机理,通过实验和数值模拟,对该构型燃烧室在并联凹腔对称喷注的工况下进行了系统研究。实验中,隔离段来流入口马赫数为3.46,来流总温为1486K;采用乙烯作为燃料,当量比范围从0.26到0.51。结果表明:燃烧室工况随着当量比的上升而改变,且可分为三个模态。当量比较低时(0.26),形成只有剪切层内有火焰的对称燃烧。当量比较高时(0.51),形成上凹腔为凹腔内燃烧、下凹腔为剪切层燃烧的非对称燃烧。当量比适中时(0.4),火焰在上下凹腔间来回震荡。在非稳态过程中,预燃激波串沿燃烧室轴向做周期性往复运动,定量分析表明火焰震荡的频率约为170Hz。燃烧震荡来源于分离区喷注与燃烧的耦合效应,震荡机制与涡无关,可能是由声振机制引起的凹腔自激震荡。     

基于Driscoll凹腔稳焰模型的超声速燃烧火焰稳定尺度效应研究

为了研究超声速燃烧室尺度放大后,保持火焰稳定边界相对于基准燃烧室不变,凹腔火焰稳定器几何参数应遵循何种放大准则的问题,基于已有的Driscoll凹腔稳焰数学模型,采用典型的单凹腔矩形截面燃烧室作为基准燃烧室,分别计算基准燃烧室在贫燃和富燃状态时的火焰稳定准则数DaNP,再按照燃烧室尺度放大定义写出尺度放大燃烧室的稳焰准则数表达式Da''NP,将稳焰边界不变作为约束条件,构建尺度放大准则方程式DaNP= Da''NP,求解准则方程式获得凹腔几何参数放大准则表达式,绘制准则特性曲线,分析归纳近似准则,并通过数值计算方法初步验证准则的有效性。采用Driscoll凹腔稳焰模型的尺度效应分析结果表明,燃烧室放大一定倍数n后,无法通过调整凹腔长度和深度放大倍数k1和k2使得贫燃熄火边界保持不变;但是,可以通过调整参数k1和k2使得富燃熄火边界保持不变,此时凹腔几何参数遵循的放大准则近似为 k1≈k2≈n1/4。     

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

一种蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动与点火性能研究

为进一步拓宽凹腔驻涡值班稳定器在低温、高速来流条件下的点熄火边界,提出了一种利用高温燃气预热、预混供油的蒸发式凹腔驻涡值班稳定器。研究了蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动特性、燃油分布特性及点火性能。研究结果表明：蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的掺混腔和凹腔内部形成的涡系结构为低温、高速来流下的点火和燃烧提供了有利条件。凹腔驻涡区的气相油雾沿流向分布均匀,沿周向从稳定器对称子午面最富递减到相邻稳定器中间面最贫。在相同来流温度下,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的贫油点火和熄火当量比均随着来流速度的增大而增大。在低温（600K）、高速（100～200m/s）来流条件下,相比于蒸发式Z形值班火焰稳定器和常规薄膜蒸发式火焰稳定器,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器贫油点火当量比能分别降低5.5%和30%;其贫油熄火当量比能分别降低37.4%和48.8%。     

凹腔喷射超声速燃烧火焰结构实验研究

为加深对凹腔喷射超声速燃烧火焰结构的认识,利用OH基自发辐射成像和PLIF技术对凹腔上游横向喷注氢气的超声速燃烧流场进行研究.结果表明,火焰主要分布在凹腔剪切层附近及喷流内部,喷口附近没有火焰;燃料喷注当量比、燃料喷注位置及凹腔构型对火焰分布和火焰强度影响较大,在设计燃烧室时应加以考虑.     

脉冲燃烧风洞中空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定影响研究

采用试验与数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响。发动机入口气流总温、总压和马赫数分别为1100K,1.0MPa和2.0。空气节流位置距离发动机入口625mm,空气节流流量为入口发动机空气流量的27.2%。多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机燃烧流场结构和火焰传播规律的诊断,包括纹影、阴影、差分干涉、自发光照相和OH-PLIF。首先考察了有、无空气节流时超燃冲压发动机冷流流场的结构,结果显示:在实施空气节流后,流场内产生了激波串结构。激波串促使流场的静温和静压升高,马赫数降低。同时激波串与边界层相互作用,导致了边界层分离,促进了燃料与空气的高效混合,实现了煤油的可靠点火。其次考察了先锋氢气燃烧流场的火焰传播规律与稳定形态,结果表明:当先锋氢气当量比为0.3时,燃烧流场振荡;当先锋氢气当量比为0.1时,燃烧流场稳定。最后研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响,结果表明:不实施空气节流时,液态室温煤油吹熄了先锋火焰,煤油点火失败;实施空气节流后,煤油成功点火,当先锋氢气和空气节流撤除后,煤油仍然保持稳定的燃烧。     

串列深腔流致声共鸣特性研究

深腔结构在管路中串列布置时会形成强烈的声学耦合效应，内部存在固有声学驻波模态等特征。尤其是当主管路流体掠过串列深腔结构时，前缘流动分离形成剪切涡脱，一旦与侧边腔体固有声模态达到频率锁定和相位匹配，则会产生强烈的流致声共鸣现象。本文有效结合了声模态有限元分析和传感器阵列实验测量，研究了腔体间距和来流雷诺数等对串列深腔流致声共鸣特性的影响。其中的声模态有限元分析获取了无来流状态下的串列深腔声学驻波模态的频率大小和声压空间分布；传感器阵列测量获取了来流雷诺数在(0.26～2.17)×10⁵之间的串列深腔壁面压力脉动的幅频信息和波形规律。研究结果表明：当串列深腔处于半波长布置时，会产生最为强烈的声共鸣现象，腔体内部声压脉动处于同相位振荡模式，同时能够诱发主管路声压与腔体声压反相位振荡；其次，当串列深腔近距离布置时，腔体内部声压脉动处于反相位振荡模式；而处于其他间距布置时，未发生明显的声共鸣现象，压力脉动幅值较低。     

凹腔火焰稳定器回流区稳焰机理

借助凹腔火焰稳定器模型的数值计算结果研究了高总焓超声速流条件下凹腔火焰稳定器回流区中可能存在的稳焰机制。研究表明,高总焓来流条件下凹腔火焰稳定器回流区中至少存在着三种稳焰机制：回流区燃烧机制、回流区点燃机制和回流区整流机制。三种稳焰机制分别利用了高焓来流条件下回流区的三种不同特性：回流区燃烧机制利用了回流区的混合特性;回流区点燃机制利用了回流区的高温特性;回流区整流机制利用了回流区的阻流特性。计算结果表明,三种稳焰机制都有可能成为凹腔火焰稳定器回流区中起主导作用的稳焰机制。