隔板对燃烧室声学特性的影响

为了研究液体火箭发动机燃烧室出现的横向一阶切向燃烧不稳定,通过冷态声学试验和理论算例的计算,研究了不同参数的隔板装置对一阶切向声学频率及阻尼特性的影响,结果表明:增加轴向隔板长度和径向隔板数目均会降低一阶切向声学频率,同时增强声阻尼效果;喷嘴式隔板产生的声阻尼效果,比典型直板形状的隔板要好得多,隔板喷嘴最佳间隙在0.1~0.4mm,采用最佳隔板喷嘴间隙能够在较短的轴向隔板长度上得到较高的阻尼能力,从而改善冷却问题.      

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性，在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而，目前并没有合适的理论模型，来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型，通过理论推导隔板喷嘴声导纳，利用分离变量法结合实验验证，研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明，存在最佳隔板喷嘴间隙，对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳；随着隔板喷嘴数量或长度的增加，燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势，且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础，研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

大直径液氧煤油发动机燃烧室抗脉动隔板技术

随着发动机推力的增大,燃烧室直径也随之增大,表征燃烧室热声学特性的振型、频率及其组合振型更为复杂,燃烧室带与不带抗脉动隔板以及隔板的结构参数等对声学特性影响明显,直接影响燃烧不稳定性的裕度。为了研究抗脉动隔板结构参数对燃烧室声学特性的影响,本文基于三维柱坐标系声波动理论和COMSOL仿真平台,研究了抗脉动隔板结构对火箭发动机燃烧室声学特性的影响。通过单喷嘴声学模拟实验,验证了该仿真方法的有效性。分析了隔板高度、厚度和冷区长度对燃烧室声学特性的影响规律。研究结果表明:隔板高度由40mm增加至120mm时,燃烧室一阶切向和二阶切向振型的频率分别下降了22%和31%;隔板厚度和冷区长度对燃烧室声学频率的影响不超过5%;大推力补燃发动机燃烧室直径大,需采用结构形式更为复杂的抗脉动隔板来针对性地抑制横向振型。     

隔板喷嘴吸声机理研究

针对隔板喷嘴抑制高频不稳定燃烧问题,通过COMSOL数值仿真方法,从声能耗散角度研究了热粘性效应下不同隔板喷嘴间隙、直径、频率对声能耗散的影响规律。结果表明:热粘性在隔板喷嘴吸声中起到关键性作用;存在最佳隔板喷嘴间隙,使得隔板喷嘴的吸声效果最好;随着隔板喷嘴直径的增加,最佳声能耗散呈现递减趋势,最佳隔板喷嘴间隙呈现递增趋势;随着声波频率的增加,最佳声能耗散和最佳隔板喷嘴间隙均呈现递减趋势。研究结果为抑制火箭发动机不稳定燃烧的隔板喷嘴设计提供依据。     

隔板对液体火箭发动机燃烧室声学模态特性的影响

通过采用声学有限元法,求解带有平均流源项的亥姆霍兹方程,进而在考虑燃烧室高温、平均流场因素基础上分析了隔板结构参数对液体火箭发动机燃烧室声学模态特性影响规律。结果表明：增加隔板数目或长度,均会降低燃烧室1阶切向模态的特征频率;存在最佳隔板数目4,使燃烧室1阶切向模态阻尼率最大;而隔板长度越长,1阶切向模态声压波腹的分布面积越小,阻尼率越大;隔板型式对燃烧室1阶切向模态特性影响较小。     

大直径液氧煤油发动机燃烧室结构和隔板型式对声学特性的影响

随着火箭发射任务轨道高度和载荷质量的提高，发动机推力和燃烧室直径增大，使燃烧室固有声学振型越发复杂。燃烧室收敛段、抗脉动隔板及其结构型式会显著影响燃烧室的声学特性，进而改变发动机的燃烧不稳定性裕度。为了研究燃烧室结构和隔板型式对声学特性的影响，建立了燃烧室声学有限元模型，并通过单喷嘴声学实验验证了仿真模型的准确性。研究了燃烧室收敛段和一周六径隔板对燃烧室声学特性的影响，重点分析了RD-170和F-1发动机不同隔板型式下燃烧室的声学特性，从声压分布的角度分析了其隔板设计的合理性。结果表明：添加收敛段后，燃烧室的1L和1T1L振型的频率分别提高了14%和17%。RD-170发动机的周向隔板位于2R振型速度波腹位置；F-1发动机所采用的两周八径13分区隔板不仅减小了2R振型速度波腹的半径，而且使切向振型的声压极值面积最小。双十字隔板使F-1发动机燃烧室中出现径向振型切向化的趋势。     

环形不稳定性计算模型在FY-20液体火箭发动机上的应用

本文用环形不稳定性计算模型计算、分析了FY-20液体火箭发动机的切向高频燃烧不稳定性。其结果与热试车结果是一致的。根据所得结果,为此发动机中安装径向隔板的必要性提供了理论依据井对稳定性不佳的液体火箭发动机提出了具体改进步骤及一些有效措施。     

有隔板和无隔板的液体火箭发动机冷态全流场数值模拟

针对液体火箭发动机燃烧室内有隔板和无隔板的情况，用数值模拟的方法对发动机冷态全流场进行了计算，探讨了燃烧室内有隔板时边界条件的处理、计算区域的离散以及隔板对流场参数的影响等问题，用欧拉坐标系下的Navier－Stokes方程组描述气相控制方程，通过数值模拟成功地对燃烧室内有隔板和无隔板的流场进行了数值仿真，表明了对隔板体的数值处理方法的可行性。     

涡轮叶片尾缘复合通道中隔板结构对换热特性的影响

采用热色液晶测温法,测量了涡轮叶片尾缘带隔板的复合通道的温度场。主要讨论了在通道其它结构均相同的条件下分别采用4种不同结构的隔板(2种孔径的矩形隔板与2种孔径的波形隔板),研究隔板中孔径大小对通道换热和流阻的影响。结果表明:矩形隔板中将矩形隔板上的孔由原来的1.8mm放大到2.5mm(即出流孔的总面积放大一倍)后提高了通道的换热,降低了流阻;波形隔板中将隔板由波谷孔径1.5mm、波峰孔径2.1mm分别放大到波谷孔径2.1mm、波峰孔径3.0mm后对换热没有提高;矩形隔板与波形隔板比较的情况下,波形隔板的换热均高于矩形隔板,而且流阻较低。      

火箭发动机高频燃烧不稳定非线性分析

为探讨火箭发动机高频燃烧不稳定的机理,建立了不稳定燃烧非线性物理模型,研究燃烧速率对燃烧室的波动现象非线性反馈机制,简化气相化学反应流体力学控制方程组,得到了相应的数学模型。用“平均法”数学模型和仿真的结果表明,系统在一定的参数范围内发生复杂的分岔和混沌现象,并得到各种物理参数对燃烧与波动耦合产生燃烧不稳定现象的影响规律。     

液体火箭发动机燃烧室波动过程数值分析

采用计算流体力学的方法,对液体火箭发动机燃烧室内波动过程进行了初步的探讨。采用两步ＰＩＳＯ算法,对流项采用二阶迎风格式,时空精度都为二阶。考察了方法的适用性,以及声学谐振器、声腔、隔板等燃烧不稳定抑制装置对燃烧室内波动过程的影响。结果表明,采用ＣＦＤ方法用于分析波动过程是可行的,谐振器、声腔与隔板对拢动波有明显的阻尼作用。     

不同隔板构型下带反应超声速混合层实验

为了考察超声速混合层混合、燃烧流场特性，并探索其被动增强方法，利用高速纹影、自发辐射成像和平面激光诱导荧光(PLIF)技术对压力匹配条件下的超声速混合层在不同隔板构型下的流场特性进行研究.结果表明:相对于对混合层混合的影响，凹腔对燃烧的影响明显受到抑制；尾部交错结构隔板促进混合层流向涡的产生，大大提高了混合层内燃烧强度.      

液体火箭发动机系统振荡及稳定性研究进展

针对液体火箭发动机中与阀门相关和与燃烧组件相关的两类重要振荡，阐述了发动机系统振荡现象、振荡模式以及稳定性的研究进展。结果表明，与阀门相关的振荡主要表现为阀门自身和与管路系统耦合的两种不稳定振荡模式；重点是振荡敏感参数分析，难点在于自激振荡临界稳定参数的获取和振荡频率的辨识。与燃烧组件相关的振荡表现为与供应系统耦合的燃烧不稳定、与喷注过程耦合的燃烧不稳定以及燃烧过程自身不稳定三种模式；流量型稳定性机理研究较成熟，内在稳定性机理准确建模相对匮乏；对时滞模型的进一步探究和对燃烧过程数学模型的深入完善是今后系统级燃烧不稳定振荡研究的重难点。     

非对称来流下带隔板的二维短隔离段研究

在隔离段中放置隔板，可以在满足气动性能的前提下缩短隔离段的长度。采用数值计算的方法对带隔板的二维隔离段与不带隔板的隔离段性能进行了比较，对非对称来流条件下不同进口附面层厚度隔离段内弯曲隔板的形状进行了研究，给出了非对称来流条件下隔离段内弯曲隔板的设计参数。结果表明，在进口马赫数为2，隔离段进口下板附面层厚度δ／H=0．24，上板附面层厚度为0时，通过放置弯曲隔板，在进出口压比相同与出口总压恢复系数基本不变的情况下，隔离段长高比减小了33％。     

三组元发动机燃烧稳定性试验

设计了气氢／液氧／煤油三组元双工况模型发动机，对不同燃烧室压力、燃料比例，喷注器的结构，燃烧室长度，混合比条件下的高频燃烧稳定性进行了试验，试验中观察到低频和高频自激燃烧不稳定，有限的试验表明，较大的缩进比和较小的旋流数有利于燃烧稳定，提高燃料中氢气的比例＞10％时，有利于燃烧稳定；但氢气对烃氧燃烧稳定性的提高不是绝对的，氢气在燃料中的比例达39％时，燃烧室内仍存在压力为0．13MPa的压力脉动。     

模型固体火箭发动机内涡脱落过程的大涡模拟

为研究后向台阶结构引起的涡脱落对固体火箭发动机内流动稳定性的影响，采用大涡模拟技术，对模型发动机内的流动进行了数值模拟，获取了发动机燃烧室内压强随时间的变化曲线及其振荡频率，并和已有的计算结果及实验结果进行了对比分析。结果表明采用LES方法的计算结果明显优于采用k-ε湍流模型的计算结果；不考虑燃烧时模型发动机内由涡脱落引起的压强振荡的振幅较小，但频率较高，且随来流速度的增加而增大；在后向台阶这种结构中，涡一般会在台阶的边沿形成，并在其下游周期性地脱落；在保证y^＋较小的情况下，网格大小对计算结果的影响不明显。     

脉冲放电等离子体控制火箭发动机高频燃烧不稳定性机理

为研究等离子体对火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响,提出了一种基于脉冲激励准直流放电等离子体的控制方案,采用数值仿真方法研究了脉冲放电等离子体对燃烧室流场平均参数及动态特征的影响规律。结果表明:脉冲激励下燃烧室平均温度和压力都较定常激励下有所降低,对整个燃烧室的影响可以忽略。与定常激励相似,等离子体可以在一段时间内抑制高频压力振荡,而且在特定控制参数下其对不稳定燃烧的抑制效果优于定常激励方式;从功率谱密度分析可知脉冲激励下燃烧室压力振荡特征频率由燃烧室固有声学频率和脉冲激励频率两者共同决定,提高激励频率则特征频率幅值有所降低。脉冲激励方式与定常激励一样不改变燃烧室压力-释热耦合特征,但是通过降低释热率能够改变压力振荡幅值,进而实现对高频不稳定燃烧的抑制。在所研究工况中,激励频率为50 kHz、占空比为20%的脉冲控制参数下等离子体的抑制效果最佳。      

预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟 (Ⅰ)计算模型和方法

对液氧－煤油液体火箭发动机的预燃室进行三维维湍流流动与燃烧过程的数值模拟，流动采用圆柱坐标系中的三维N－S方程组，并用k-ε双方程测流模型闭合，用同位网格和SIMPLE算法求解，源项进行线性化处理以便于收敛；离散后的方程采用SIP法求解；燃烧采用单频快速不可逆化学反应，喷注单元和预燃室头部的喷雾可以考虑液滴颗轨道模型（PSIC），针对液氧－煤油液体火箭发动机的预燃室建立耦合计算软件，通过考核算例获得燃气流场，组合浓度场和温度场的合理分布。     

地面效应对火箭橇发动机尾喷管流场特性的影响研究

摘要：基于火箭撬地面试验的需要，设计了大载荷高加速的短轨火箭橇动力系统，并对地面效应对火箭发动机尾喷管流场的影响进行了理论和试验研究。文中采用FLUENT计算软件对不同条件下的火箭发动机尾喷管外流场进行了三维数值仿真，分析了单枚火箭以及双枚火箭工作时，地面效应对发动机尾喷管流场特性的影响。针对本文研究的大载荷高加速的短轨火箭撬动力系统，地面效应的影响和双尾喷管之间的相互作用都是在1.5ms时开始显现，在2ms~3ms时比较明显，在5ms~20ms开始减小，最后形成稳定的尾部流场。对于喷管出口直径275mm、轴线距离地面不小于472mm和双喷管轴线距离不小于680mm的火箭橇动力系统，在火箭橇运动起来20ms之后，地面效应影响和双火箭发动机之间相互作用变得非常小。