进气道结构对固体冲压发动机补燃室燃烧及内壁流场的影响

为研究进气道结构对固体冲压发动机补燃室燃烧及内壁烧蚀的影响,采用标准k-ε湍流模型,单步涡耗散燃烧模型与KING硼粒子点火燃烧模型,开展了双下侧90°进气结构和双侧180°进气结构固体冲压发动机补燃室内燃气燃烧数值模拟,对比分析了补燃室燃气燃烧流场特征和内壁烧蚀环境特征。结果表明:双侧180°进气结构在补燃室中形成大漩涡,有利于燃气与空气的掺混燃烧,至补燃室出口位置,总燃烧效率超过90%,且该结构有效减少了粒子对内壁的冲刷侵蚀;在双下侧90°进气结构补燃室中,凝聚相粒子和燃气贴近补燃室一侧运动,导致氧气浓度和温度分布不均,不利于燃气的掺混燃烧,总燃烧效率为74%,在远离补燃室进气道一侧形成高温热烧蚀、高浓度粒子侵蚀、高速射流冲刷和热应力集中的综合破坏;双侧180°进气结构的固体冲压发动机补燃室总体性能优于双下侧90°进气结构的冲压发动机补燃室。      

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电（SDBD）在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应,为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果,实验使用高频交流电源,基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH*自发辐射,研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用,火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强,从而扩大了剪切层燃烧宽度,同时燃烧释热速率会明显提高,这主要与等离子体活化效应有关,并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时,等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角,使火焰高度降低、宽度增大,且作用效果随放电电压提高逐渐增强。      

氧燃比对自燃推进剂模型火箭发动机燃烧稳定性的影响

为研究氧燃比（O/F）对自燃推进剂模型火箭发动机燃烧稳定性的影响,在液/液双旋流矩形模型发动机中开展不同氧燃比条件下的试验,采用高频压力传感器和光电倍增管（PMT）同步捕捉了燃烧室压力振荡和CH*表征的释热脉动,获得了氧燃比对燃烧稳定性的影响规律。结果表明：点火后燃料集液腔出现了41 Hz的低频脉动,并在关机过程中诱发了燃烧室同步低频振荡。氧燃比从0.933～1.789增长的过程中,燃烧室经历了稳定、轻微不稳定、一阶横向不稳定和二阶横向不稳定的转换过程,在二阶模态下压力振荡幅值仅为平均室压的4.69%。结合光电倍增管信号,发现燃烧不稳定越剧烈压力和释热信号的耦合就越明显。基于试验的瑞利指数分析表明：一阶横向模态下燃烧不稳定的驱动源主要位于燃烧室两侧,燃烧室中间则呈抑制特性;燃烧不稳定的产生可能和推进剂与燃烧室壁面的相互作用有关。     

浮力效应对射流扩散火焰转捩特性影响的实验研究

对不同空气伴流速度下丙烷层流射流火焰向湍流火焰的转捩过程进行实验观测,分析伴流对火焰转捩行为及稳定性的影响.相对于静止环境中的射流火焰,较大速度的伴流可以减小浮力效应对射流扩散火焰转捩过程的影响,使火焰发生转捩的临界Reynolds数（Re_cr）增大,即火焰推迟转捩.但当伴流速度较小时,Re_cr保持不变,转捩过程中的射流火焰发生周期性振荡,振荡幅度随着伴流速度的增大而减小,继续增大伴流速度,火焰振荡的周期性最终消失,转而呈现随机性.实验还发现,喷嘴直径较大的扩散火焰的Re_cr更大.考虑到火焰对燃料射流局部流动状态的影响,对此现象进行了解释.     

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用,其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据,给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同,等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性,并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.     

空间尘埃等离子体中尘粒电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响

本文运用自洽的三流体方程组, 考虑了尘埃的充电过程, 得到均匀磁化尘埃等离子体中垂直于磁场传播的尘埃磁声波的色散关系, 结合空间环境讨论了尘埃电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响.     

条件矩封闭模型应用于非预混湍流反应流动

推导了考虑分子和湍流扩散的条件矩封闭方程,并利用其模拟了二维非预混湍流反应流,计算结果与实验结果符合良好.结果表明,有限值的Damkohler数使条件平均变量偏离其平衡状态,且在混合分数η位于化学恰当比下的混合分数附近时偏离最大.Damkohler数的升高还使得条件和无条件平均的反应速率升高,并使条件平均变量向其平衡状态值趋近.本文还观察到以往的简化维数处理会引起一定的偏差.因此,对于一般的椭圆型反应流动,建议采用考虑扩散效应的CMC控制方程.      

等离子体发射光谱法简化分析研究

发射光谱法作为测量等离子体关键参数的一种重要非介入式测量手段;现有常规的发射光谱测量方法虽能获取部分电子温度、电子密度等关键参数的信息;但是传统的发射光谱模型实际上包含了很多个原子能级的碰撞辐射过程;研究者们主要根据截面近似计算方法或经验公式对碰撞辐射过程涉及到的参数进行分析;其分析模型较为复杂。针对上述问题;开展了等离子体发射光谱法的简化分析研究;旨在建立一种应用于氩的750 nm和751 nm特征波长谱线的更加精简的发射光谱日冕模型;并搭建一套基于电感耦合等离子体源的试验系统实现等离子体电子温度和电子密度的非介入式测量;通过试验验证模型;为发射光谱法测量等离子体关键参数的研究提供技术参考。     

微重力下层流扩散火焰碳烟生成过程

根据详细的燃料氧化机理和多环芳烃生成机理,对乙烯同轴射流火焰在重力变化下碳烟生成情况进行计算.认为碳烟的初始成核是由两个较大的多环芳烃（PAH）二聚而成,碳烟的表面生长机理为HACA,凝结过程主要考虑PAH与碳烟的碰撞吸附,碳烟生长和氧化过程耦合在分节气溶胶模型中.计算结果表明,微重力条件下乙烯同轴射流火焰峰值温度下降230K,碳烟浓度显著增加,且浓度峰值在微重力条件下更加偏离中心线.分析重力变化对碳烟前驱体乙炔和多环芳烃的分布、初始成核速率、表面生长速率及凝结速率的影响.结果表明碳烟在中心轴线上主要是通过凝结过程生成的,且微重力条件下PAH在碳烟表面的凝结更加重要.由于微重力条件下停留时间更长,导致碳烟直径更大.     

双组元推力器雾化燃烧过程数值模拟及液膜冷却作用分析

在带有液膜冷却双组元推力器的设计过程中,对燃烧室的数值仿真是一项非常重要的工作.充分考虑了常被忽略或简化处理的推进剂雾化、液滴破碎、液膜形成等重要过程,选取EDC燃烧模型和realizable k-ε湍流模型,采用有限体积计算方法得到燃烧室内部液滴分布、液膜分布、静温分布等重要数据.最后,根据所得结果阐述了燃烧室内的详细工作过程,并着重分析了液膜的分布特点以及对壁面的冷却作用,得到了两个与液膜冷却相关的结论.     

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.     

大流量气-气喷嘴响应面法优化设计

为研究以气氢和气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴设计参数对推进剂燃烧位置的影响,利用正交表指导喷嘴设计,并对燃烧室流场进行数值模拟.结果表明:在单喷嘴流量相当于航天飞机主动发动机单喷嘴流量8倍的工况下,同轴双剪切喷嘴能实现高的燃烧效率;极差和方差分析显示氢/氧的速度比是对推进剂的燃烧位置影响最大的设计参数,而中心氢流量比例和氧喷嘴的壁厚对燃烧位置的影响不显著.通过构造基于正交多项式的响应面,获得同轴双剪切气-气喷嘴的优化组合参数.     

超燃冲压发动机燃烧室设计计算方法的研究

为寻找一种适当的计算超燃冲压发动机燃烧室性能的方法并评估现有模型的优劣,提出一维化学动力学模型,且通过几个算例验证了该模型的可靠性.为研究设计过程中的性能计算方法的适用性,针对一具体的燃烧室,采用目前通用的性能计算方法,即冲量分析法、一维化学动力学及二维化学动力学方法,计算得到燃烧室内各气动参数的分布曲线,并得到上述方法在超燃冲压发动机燃烧室设计过程中性能计算适用性的初步结论.计算结果表明:一维化学动力学方法与冲量分析法都能够考虑到摩擦、通道面积变化以及燃烧释热的影响因素,具有较好的适应性.对于冲量分析法,在考虑燃烧时,还需设定放热规律; 而一维化学动力学方法则可以利用化学反应模型,会自动计算释热规律,具有更大的独立性.和前两种模型相对比,二维化学动力学方法可以更细致地捕捉到流场中的一些细节,但此种模型需要较长的运算时间.对比这几个模型,各具有不同特点,在超燃冲压发动机的设计与性能计算过程中,需综合考虑上述区别,最充分地发挥各模型的优势.     

用于空间试验的金属物质气化方法

通过向电离层空间释放金属物质,形成高密度的等离子体云团,实现对电磁波反射与散射的方法,对于改善通信效果具有重要作用,是当前应急通信研究热点之一。根据气态形式释放金属才能充分与电离层相互作用生成电子密度增强区的原理,针对以往采用碱金属和碱土金属作为释放物,产生电子密度增强的机制主要是光致电离所带来的不足（白天效果明显,夜间效果较差）,选用镧系金属作为新的释放物,并以镧系金属钐为例,建立了钛硼与钛碳两种自蔓延燃烧合成反应加热气化金属钐的理论模型。通过理论计算,确定了两种自蔓延合成反应体系加热气化金属钐的净放热量以及加热气化金属钐的最大效率。针对理论研究结果,对两种反应体系加热气化金属钐的方案开展试验研究,验证了理论分析的正确性,摆脱了电子密度增强主要依赖光致电离的缺点,提供了一种全天候释放电子密度的方法。     

霍尔推力器仿真与优化

摘要： 针对霍尔推力器通道内的放电过程,建立一种基于COMSOL软件的仿真模型.该模型以等离子体内部电子和离子的漂移扩散为核心,结合电磁场、气体流动以及等离子体内部的碰撞反应,通过合理选取系统方程、边界条件以及求解器,有效估算霍尔推力器的性能参数以及各物理量在通道内的分布.将仿真结果与理论相比较,验证该模型用于霍尔推力器数值仿真的有效性并以此对推力器进行磁场优化设计.     

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。