带驻涡凹腔的径向钝体稳定器燃烧特性研究

针对燃烧室高速气流中低压组织燃烧需求,本文分析驻涡稳定器-径向稳定器组合结构的燃烧性能,对驻涡燃烧室传焰和稳焰结构的优化设计提供支撑。研究采用实验和数值模拟相结合的方法,在0.06～0.08MPa的负压条件下,获得了组合稳定器结构的燃烧效率、出口温度分布和热态流场。结果表明,径向稳定器的存在使得燃烧室出口产生了明显的温度不均匀现象;降低燃烧室总压将导致燃烧效率明显恶化,总压每下降0.01MPa,对应的燃烧效率将下降约5%。燃烧区的位置与流场息息相关,在热态燃烧过程中,高温区集中在凹腔侧边和径向稳定器外侧,燃烧室中央部分存在来源于凹腔值班级、并沿径向稳定器传播的火焰。余气系数的提升将增加主流供油的穿透深度,导致燃烧区进一步集中在燃烧室两侧,出口温度不均匀程度将由此上升,当余气系数下降到2以下时,燃烧室两侧燃油的富集将导致燃烧效率下降。     

低压模化对燃气轮机燃烧室工作特性影响的数值分析

为研究低压模化对于燃气轮机燃烧室工作特性的影响,采用ANSYS软件的FLUENT模块,对燃烧室在低压模化以及低压1/3尺寸模化条件下的燃气轮机燃烧室分别进行数值模拟研究,并与在全压条件下的燃烧室计算结果进行对比分析。计算结果表明:在低压模化条件下,燃烧室的流线形态与全压下基本相同;由于压力对于化学反应平衡的影响,在低压条件下燃烧室的壁温相比在全压下的平均降低70~100 K,其出口温度场指标比在全压下的更好;由于受燃烧室入口空气压力的影响,在低压条件下燃烧室的燃烧效率和流阻损失均比在全压下的低;另外,由燃烧室压力和尺寸的变化引起的燃烧室内温度分布变化,造成NO源分布的不同及燃烧室内NO的生成速率发生巨大变化,导致燃烧室NOx的排放水平不同,并验证了压力指数。其计算结果可为燃气轮机燃烧室的低压和常压模化试验提供参考。     

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。     

导流片结构参数对先进旋涡燃烧室性能影响研究

为了研究带导流片的先进旋涡燃烧室燃烧及流动性能,对导流片不同结构参数下燃烧室的流场分布、温度分布、总压损失、燃烧效率及污染物排放进行了数值模拟。结果表明,带导流片的先进旋涡燃烧室性能表现出明显的优越性,能够在不依赖凹腔射流的情况下形成理想的双旋涡结构,有利于增强凹腔稳焰及燃气掺混,大幅度提高燃烧效率,改善出口温度分布,降低NO排放。导流片结构参数对燃烧室性能影响呈现出一定的规律。当导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比(a/B)为0.2,导流片到前钝体上端面的距离与燃烧室进气通道高度之比(b/H)为0.4,导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比(c/L)为0.1~0.2时,燃烧室在贫燃条件下可以实现低压降、低污染的稳定燃烧,而且出口温度分布均匀。     

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。     

喷嘴损伤对环形回流燃烧室性能的影响

利用Fluent商用软件对模型环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场进行了数值模拟，研究了喷嘴损伤引起雾化效果变化对燃烧室性能的影响，采用可实现的k-ε模型模拟湍流黏性、离散相模型（DPM）通过添加UDF(user defined function)程序追踪燃油运动轨迹、正庚烷作替代燃料及层流小火焰模型.计算结果表明:采用的数值模拟方法可以预估实际燃烧室燃烧流场以及喷嘴损伤对其性能的影响，雾化性能变化导致燃烧室出口温度分布不均匀度升高，品质降低，并导致燃烧室燃烧效率降低；当燃油流量降低约19%时，燃烧室性能已不符合运行要求.      

模型冲压发动机低压条件下燃烧效率试验

在亚燃冲压发动机直连式高空试验系统上,实现了模型冲压发动机在40～60 kPa条件下的点火和稳定燃烧,研究了燃烧室构型、燃烧室入口来流条件以及燃料当量比对燃烧效率的影响。试验结果表明:低压条件下的燃烧效率比常压和高压条件下的燃烧效率都要低;但低压条件下燃烧效率随燃烧室构型、模拟来流条件和燃料当量比的变化规律与常压和高压下的情况基本一致,增加燃烧室长度、提高来流总压和总温、增大燃料当量比,降低飞行高度,以及增强煤油的雾化和混合,都有利于提高燃烧效率;与常压和高压下的情况不同的是减小凹腔长深比能进一步提高燃烧效率。     

液氧煤油超临界富氧燃烧中的低频振荡特性实验研究

为了研究液氧煤油在高混合比下的燃烧特性,在模拟燃烧室中开展了液氧煤油在超临界压力环境下的富氧燃烧实验,燃烧室中采用了双离心喷嘴。实验过程中燃烧室压力额定值为6.4MPa,高于液氧和煤油的超临界压力。燃烧室直径为50mm,燃烧室长度约为345mm,燃烧室喉部直径10.5mm。用压力传感器记录液氧喷前压力、煤油喷前压力和燃烧室压力,压力数据的采样频率为2kHz。实验中发现：当混合比为10时,液氧煤油发生较为稳定的燃烧;当混合比为14.5时,燃烧室内出现了20～30Hz的低频燃烧振荡;在燃烧的启动和关机阶段,也出现了相近频率的低频燃烧振荡。液氧和煤油的喷前压力振荡相位均滞后于燃烧室压力振荡,表明振荡的源头在燃烧室。系统幅频特性分析结果表明,燃烧振荡频率与系统频率不耦合。液氧煤油低频燃烧振荡的主要诱发因素可能是高混合比燃烧下的温度效应。富氧燃烧温度低于2200K易诱发低频燃烧不稳定。     

超声速燃烧室乙烯/空气等离子体射流点火试验研究

在来流马赫数1.8,总温800K的超声速燃烧直连式试验台开展了乙烯/空气等离子射流点火的试验研究。采用高速摄影仪拍摄了等离子体射流流场结构、自发光火焰图像和火焰纹影图,对比分析了燃料喷注压力、混合燃料、等离子体射流介质对点火特性的影响。试验结果表明,等离子体射流与主流之间的剪切作用形成了大尺度的涡结构,射流尾流工质主要存在于凹腔剪切层附近,射流与主流干扰的全局特征主要表现在射流诱导的弓形激波上,射流动量的增加,激波强度增强。燃料喷注压力升高,点火后燃烧室稳态压力升高,同时压力响应曲线提前;乙烯喷注压力低于0.33MPa时,压力曲线出现一定震荡,燃烧室无法建立稳定火焰,在0.33~0.624MPa时燃烧过程存在超燃向亚燃燃烧模态转换,高于0.624MPa时点火过程趋于平稳。乙烯和甲烷混合燃料的点火贫油极限出现在喷注压力0.394MPa附近。等离子体射流虽能提供高温工质,但是其射流尾流中经冷空气掺混的部分气体分子将对燃料浓度起到稀释作用,进而影响点火性能。     

低压条件下复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率研究

对低压(常压或低于常压)条件下航空发动机燃烧室的燃烧效率作了初步的研究,主要目的是研究复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率的改进。复合式多级旋流杯组织方案由离心雾化和旋流杯空气雾化组成,采用双油路,副油路为小流量离心喷嘴,主油路为直射式喷嘴匹配空气雾化,头部采用三级涡流器组织燃烧。燃油采用RP-3航空煤油。使用单头部燃烧室为试验件,在常压和低压状态下,模拟燃烧室进口速度和总油气比。燃烧效率采用燃气分析法,用效率分析仪进行测量。研究结果表明,复合式多级漩流杯燃烧组织方案能改善低压下的燃烧,提高燃烧效率。      

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。     

三级轴向旋流器影响燃烧室性能的试验

对装有4种不同三级轴向旋流器的燃烧室开展了常压下不同进口速度、进口温度和油气比状态下的燃烧室性能试验研究,获得了不同三级轴向旋流器燃烧室的流阻性能和燃烧性能.研究结果表明:各方案中三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数均随着进口速度的增大(由40m/s增加到70m/s)而增加;进口温度的升高对点火和熄火均有利;旋向组合为顺时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室性能与旋向组合为逆时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室燃烧性能相比,总压损失系数稍大、贫油熄火性能较优、燃烧效率稍低;内旋流器空气流量的减少可使得三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数增大、贫油熄火油气比和燃烧效率均有所降低.      

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。      

低压对加力燃烧室压力脉动和放热脉动的影响

运用ＣＨ离子浓度传感器及其测试系统，研究燃烧室内低压对两态混气紊流燃烧的压力脉动和放热脉动的影响。结果表明，燃烧装置的结构参数决定了燃烧装置的固有频率，随着压力升高，剧烈化学反应区向上游移动，对蒸发式稳定器而言，低压下油气比对压力脉动值影响较小。     

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室，开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统，隔离段进口马赫数保持2.0不变，总压为1.05 MPa，来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力，并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时，燃烧室壁面峰值压力位置相同，同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系；来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升；在燃烧室当量油气比不变的条件下，来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降，隔离段内激波串长度缩短。      

氢在超音速气流中的燃烧过程

氢燃料超音速燃烧冲压发动机(简称超燃冲压)为主体的吸气式组合动力装置,已被证明是空天飞机推进器的最佳方案[1]。因而研究氢在超音速气流中的燃烧过程是一个重要的课题。国外近年来进行了大量的有关理论与实验研究工作[2、3],但大多数的研究停留在氢处于静止与等压状态下的反应过程。在超燃燃烧室中的实际燃烧过程,由于不同的燃烧室进口气流状态,大体有以下三种基本类型:扩散型燃烧、扩散动力型燃烧、动力型燃烧。      

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

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。