MHD能量旁路超燃冲压发动机可行性分析

使用准一维模型对磁流体能量旁路超燃冲压发动机MPCE(Magneto-Plasma-Chemical Engine)进行了性能计算.考察了理想和非理想的超燃冲压发动机应用磁流体MHD(magnetohydrodynamics)能量旁路的效果,对于理想的超燃冲压发动机应用MHD反而会使发动机的性能降低;对于非理想的超燃冲压发动机,MHD的作用使发动机的比冲增加.考虑发动机工作的工程限制条件对超燃冲压发动机和MPCE的性能进行了比较,结果表明应用MHD可以扩大超燃冲压发动机的工作范围,在非设计马赫数下提高发动机的性能.计算了负载系数、通道压力系数等重要的设计参数对MPCE性能的影响,结果显示优化参数设置可以使发动机比冲增加,但是同时又会受到工程条件的限制.     

超声速燃烧冲压发动机进气道起动性能研究

采用等激波强度设计方法,并考虑变比热、激波与附面层干扰等因素的影响,对唇口平直和唇口带有斜楔的超燃冲压发动机二维混压式前体/进气道进行了初步设计,比较分析了几种方案进气道的设计点和非设计点性能,研究表明,在低飞行马赫数(Ma)下,唇口带有斜楔的前体/进气道起动性能和总压恢复优于唇口平直的,在高飞行Ma下,唇口平直的前体/进气道冲压比高、外罩阻力小,而唇口带有斜楔的前体/进气道总压恢复系数高,外罩阻力相对较大。针对超声速燃烧冲压发动机燃烧室和进气道间非定常干扰的问题,计算研究了飞行Ma=4,6下,燃烧室压力升高对进气道/隔离段流场和起动性能的影响,结果表明,在低飞行Ma条件下,燃烧引起的压力扰动容易往上游传播,甚至引起进气道不起动;随着飞行Ma的增大,隔离段的抗扰动能力是增强的;当进气道进入不起动后,进气道的捕获流量和总压恢复系数急剧下降,高飞行Ma时的捕获流量的下降幅度比低飞行Ma时大。     

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

高超声速串联式组合动力装置方案

为保证高超声速运输机在宽广的飞行包线内(Ma＝0~5,H=0~30km)稳 定可靠工作,对涡轮/冲压组合动力装置串联方案展开研究.首先建立了经试验数据校核的 适于高超声速飞行的组合动力装置部件级变循环详细非线性性能计算模型;在此基础上,利 用发动机设计点热力循环分析和非设计点性能分析方法对串联方案的综合特性进行评估,最 终给出一种经过优化的串联布局涡扇/冲压组合动力装置总体性能设计方案.研究结果表明 ,优化方案可有效地缩小组合发动机的结构尺寸与重量,有利于进气道,喷管的调节以及冲 压燃烧室燃烧的组织.通过综合调整发动机5个可调几何部位以及涡轮发动机燃油流量和冲 压燃烧室燃油流量,可以实现涡扇/冲压模式的平稳转换.      

超燃试验用加热器三维粘性流场数值模拟

超燃冲压发动机试验时,使用燃烧型加热器模拟高焓、高马赫数的来流条件,而加热器的喷注结构对改善加热器出口流场均匀性具有重要作用.使用三维数值模拟软件Fluent对2种喷注结构的燃烧型加热器进行了三维定常反应流场模拟,获得了设计工况下的流场.结果表明,采用多孔斜喷结构能使氢气在横向有较大的穿透深度,加上空气的引射作用在燃烧室头部产生大尺度横向涡,增强了氢气和空气的混合燃烧以及燃气的掺混,使加热器出口温度场不均匀性从53%降为21%,氧气摩尔分数不均匀性从63%降为17%,更有利于开展超燃冲压发动机试验.     

涡扇发动机地面起动过程性能模拟

用积分方法建立了混合排气加力涡扇发动机起动过程模拟模型并用该模型进行了仿真计算,模型基于气动热力学方程、各部件特性以及经验关系式,根据给出的发动机起动过程初始条件、燃烧室供油规律等进行计算.为说明所建立的起动性能模型的模拟效果,将程序计算结果与试验结果进行了比较,结果表明该起动仿真模型能较准确地模拟混排加力涡扇发动机的地面起动过程.还分析了计算过程中对起动过程有比较大影响的因素,包括计算时间步长,起动机脱开转速,燃烧室总压恢复系数的经验系数,大气温度、压力以及海拔高度等.了解这些因素对起动过程及模拟结果的影响,便于通过修正的途径将该计算方法用于发动机地面起动性能的准确模拟.      

甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况仿真与试验研究

基于简化化学反应模型,对甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况燃烧特性进行了仿真分析,并结合高模热试车对仿真结果进行了对比验证.结果表明：燃烧室压力在3.7 ms时基本达到稳定;而温度场在8 ms左右达到稳定,室压先于温度场达到稳定;燃烧室壁面液膜热流密度先增大后降低,脉冲工况下发动机推力室壁面液膜冷却效果受脉冲宽度影响较大;不同的脉冲宽度下,燃烧室内的压力上升过程相同,关机后的压力下降过程也基本相同,发动机在2.5~3 ms后能够输出较稳定的推力或冲量.     

航天科学技术中的若干数学模型

本文是考虑化学火箭发动机燃烧理论的数学模型、疲劳断裂传播的随机模型以及复杂航天飞机运动动力学方程和解题方法。     

新概念旋转冲压发动机的研究与分析

为解决燃气涡轮发动机性能和成本受结构材料制约和冲压发动机不能独立使用和在地面应用的问题,在对燃气轮机、冲压发动机和内燃机3类发动机的结构进行分析和融合创新的基础上,提出了一种基于冲压压缩技术的新概念旋转冲压发动机的研究构想.该发动机主体结构为一内置有旋流燃烧室的高速旋转无叶无塞内燃转子,能融压气、燃烧和排气做功于一体.对其工作原理、结构方案和性能进行的初步研究分析表明,该发动机结构简单紧凑,体积小,成本低,效率高,功率大,可广泛用于航空与地面的各种动力.      

高超声速涡轮/冲压组合发动机方案

为满足高超声速运输机在宽广的工作范围内(Ma＝0~5,H=0~30 km)稳定,可靠工作,研究了涡轮/冲压组合动力装置并联方案.完成了涡扇发动机和冲压发动机的总体性能方案设计,2种工作模式转换过程和沿飞行轨迹的组合发动机稳态特性模拟也已接近尾声.建立了适合高超声速飞行的涡扇发动机、冲压发动机可变几何的部件级详细性能计算模型,比较分析了涡扇发动机的加力方案;考虑了进气道/发动机流量匹配对发动机特性的影响;给出了涡轮/冲压模式转换阶段的稳态性能仿真结果.      

模型燃烧室内不稳定燃烧发展过程的数值分析

为了对自燃推进剂燃烧室内出现的不稳定燃烧现象进行详细分析,采用欧拉-拉格朗日方法对该燃烧室内的气液两相非稳态燃烧过程进行了数值模拟,计算得到的压力振荡幅值和频谱特性与实验结果吻合较好,在此基础上对不同燃烧阶段内的压力和释热变化规律进行了分析。结果表明:在压力振荡幅值超过10%的不稳定燃烧阶段,压力振荡主频为9 200 Hz,燃烧室内横向压力分布与1阶切向振型一致,仿真中再现了1阶切向自激高频不稳定燃烧的产生及发展过程;稳定燃烧向不稳定燃烧转变早期,压力振荡从部分燃烧释热波动中获得能量,压力振荡幅值缓慢增长;随着燃烧进行,燃烧释热波动与压力振荡之间相位和频谱特性逐渐趋于一致,压力振荡幅值开始急剧增大;当二者完全耦合时,燃烧室内压力振荡幅值达到极限饱和状态,此时压力振荡幅值超过了平均室压的200%。      

基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.      

等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响

为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。     

集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响

为了研究集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响,在分析其工作机理的基础上采用化学非平衡流动和稳态电磁流体电磁场模型对不同集气腔总压下推力器工作过程进行了数值模拟.流体力学方程组和电磁场方程考虑了多种流动机理及电磁场与高温电离气体的相互作用,化学动力学模型考虑了各种碰撞反应.采用二阶精度NND格式求解流体力学方程组,采用有限速率化学反应模型计算组分生成率,采用交替方向隐式(ADI)超松弛迭代法求解电磁场离散方程.给出了不同集气腔总压下推力器内部参数分布及其宏观性能.研究表明,集气腔总压对推力器工作过程具有多方面的影响,在保证电弧稳定的情况下,适当提高集气腔总压可同时提高比冲和推进效率.     

用温度梯度法测量壁面高温的研究

直接测量液体火箭发动机燃烧室的内壁温度是十分困难的。提出了温度梯度法,即通过测量冷却通道中肋片上的温度梯度来推算出内壁面温度的方法。理论分析和数值计算表明,燃烧室冷却肋片中心截面的温度分布可以用一个三次方程来表示。用最小二乘法拟合测试数据可以推算出内壁面温度。     

微重力煤粉燃烧实验装置的研制

介绍了一种空间煤粉燃烧实验装置, 用于研究微重力条件下煤粉颗粒群的热解、气化、着火、挥发的析出与焦碳燃烧及其燃尽等燃烧特性. 采用间断式喷入方式, 当炉膛内温度达到设定值时, 将煤粉通过一定氧气比例的空气喷入, 观察并记录煤粉在炉膛中的燃烧过程. 燃烧完成之后, 测量燃烧产物中的气体成分和含量. 给出了利用该装置在地面进行煤粉燃烧实验的结果. 详细介绍了该实验装置的系统构成、工作原理、工作过程, 并提出了进一步改进的方案.