燃油分配对超燃冲压发动机的性能影响仿真分析

针对超燃冲压发动机两级燃油分配对内流道流动过程、燃烧模态、发动机性能及调节特性的影响问题,建立了发动机一维流动分析模型;对马赫数6/当量比1,马赫数6/当量比0.6,马赫数4/当量比1三种工况不同的一级/二级燃烧室燃油分配比例下的流动过程进行了仿真,并获得了不同燃油分配规律下的发动机性能.通过分析表明：超燃冲压发动机的两级燃油分配比例直接影响发动机内流道内的流动参数分布、燃烧模态及发动机比冲等性能参数.对于马赫数6/当量比1工况,当一级燃烧室的燃油分配比例为30％～70％时,可在全流道内组织纯超声速燃烧,最高比冲超过800 s;对于马赫数6/当量比0.6工况,即使将所有的燃油均在一级燃烧室喷入,流道也不会壅塞,该工况下最大比冲超过800s;对于马赫数4/当量比1工况,燃烧室内组织亚声速燃烧,最大比冲为1 031.9 s;为保证亚声速燃烧扰动不传递到燃烧室入口外,一级燃油分配比例不应过高.     

基于流场探测的发动机喘振控制仿真研究

为使冲压发动机性能最优并始终工作在安全状态,需要使其工作的喘振裕度最小且在喘振边界内。在喘振边界安装一种能够准确分辨超声速或亚声速流场状态的流场探测装置,控制进气道结尾激波位置。针对一维变截面流动控制方程,研究了流场探测装置的安装位置,以及激波越过流场探测装置后控制系统的减油规律。仿真研究结果表明,用试验数据修正理论仿真的方法可以准确地捕捉进气道结尾激波,同时根据某型冲压发动机的设计临界喘振裕度,确定了流场探测装置安装位置位于距进气道锥尖的距离;进气道沿程压力跟随发动机燃油流量的变化而变化,压力波传播时间相对于燃油调节时间可以忽略;由于进气道内激波前后运动存在明显的压力滞环现象,当激波越过喘振边界时,进气道出口压力会进一步上升,发动机喘振危险加大,应使用加速电磁阀快速减小燃油流量,控制激波回到安全区域。     

超声速进气道及冲压发动机动态特性分析

基于小偏差线性化思想,利用超声速进气道动力学模型计算得到,进气道激波位置和波后压力的响应幅值随频率增大整体趋于减小,但在各阶纵向谐振频率上存在谐振峰。并进一步考虑了燃烧室加质燃烧,分析了冲压发动机气路动态特性,推导出适用于冲压发动机的集中燃烧模型,研究表明在燃油喷注流量的扰动下,冲压发动机幅频响应谐振峰显著。     

基于燃气射流控制的可调进气道数学模型研究

针对固定几何形状冲压发动机超音速进气道在高马赫数状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室或燃气发生器引入燃气喷入外压缩面和喉道,实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案。采用数值方法计算了不同马赫数工况下,喷射条件变化时进气道的性能参数。根据流场数值计算结果,采用B样条理论建立了燃气射流控制可调进气道数学模型,利用此数学模型可确定进气道外部斜激波位置以及总压恢复系数随工作马赫数和射流喷射条件的变化关系。结果表明,随着射流入射角度和射流流量增大,射流调节能力呈增强趋势。     

内并联式TBCC进气道模态转换过程流动特性分析

针对组合动力(TBCC)进气道模态转换过程中出现的非定常气动现象,采用稳态/非稳态数值模拟方法对相关流动特性及其影响因素与流动机理开展了研究。结果表明：由涡轮发动机工作状态向冲压发动机工作模态转换过程中,进气道内出现结尾激波沿流向前后振荡现象,振荡频率约为130Hz;当冲压流道反压引起的激波未前传至模态转换分流板前时,冲压发动机工作状态对结尾激波振荡不产生影响。在相同的发动机工作状态下,随着模态转换速度的增加,结尾激波振荡频率逐渐增大。文中研究的进气道内结尾激波振荡现象可通过亚声速管道内波的传播理论进行解释和分析。     

冲压发动机燃烧室压力脉动对进气道的影响分析

冲压发动机燃烧室燃烧时产生的振荡会以声波的形式对进气道结尾激波产生干扰。本研究采用数值方法模拟了不同燃烧室压力脉动频率和振幅对进气道工作状态的影响情况。计算模型为轴对称混压式进气道,控制方程采用雷诺平均N-S方程,湍流模型为标准k-ε模型。求解时时间推进采用二阶隐式格式,空间离散采用AUSM格式。计算结果表明,燃烧室压力振荡频率越大进气道结尾激波运动幅度越小,而振荡幅值越大进气道结尾激波的运动幅度越大。     

固体火箭燃气超燃冲压发动机概念分析(Ⅰ)——全流道一体化设计

针对中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机,从大气模型、进气道、燃烧室及尾喷管四个模块出发完成了其一体化流道设计。针对所设计的发动机设计点及非设计点,采用全流道一体化数值模拟的方法对发动机设计的合理性进行了验证。研究结果表明,发动机设计点及非设计点进气道均已启动,燃烧室及后体工作状态良好,验证了发动机设计的合理性;碳颗粒的燃烧效率限制了发动机整体的燃烧效率水平及发动机性能,发动机设计点整体的燃烧效率为49%,比冲仅有3674.61 m/s,提升碳颗粒的燃烧效率作为固体火箭燃气超燃冲压发动机性能提升的关键点;由于燃烧室长度可能较短,构型较为简单,这对于发动机的一体化设计是不利的,如果能合理布置燃烧室构型,则对固体火箭燃气超燃冲压发动机的二次补燃效率及发动机性能的提升有所帮助。     

二元进气道夹角对冲压发动机二次燃烧的影响

利用RNG κ-ε湍流模型及单步涡扩散化学反应模型,对采用双侧二元进气道的火箭冲压发动机补燃室内纯气相化学反应流场进行了数值计算,分析了进气道夹角和一次燃气喷嘴结构对冲压发动机燃烧的影响,总结了3种不同燃气喷嘴结构冲压发动机的燃烧效率随进气道夹角的变化规律,为冲压发动机的设计提供参考。     

下颌式进气道固冲发动机二次燃烧性能研究

针对采用下颌式进气道的固体火箭冲压发动机,建立了二次燃烧性能计算模型,对掺混燃烧性能进行了仿真研究。研究表明,采用掺混装置可大幅提升下颌式进气道的固冲发动机补燃室一次燃气和空气的掺混均匀度,并通过数值仿真对掺混装置进行了优化。结合数值仿真优化结果,通过地面直连试验,验证了不采用与采用掺混装置的补燃室二次燃烧性能。试验结果表明,合理设计掺混装置,可显著提高补燃室二次燃烧性能,特征速度燃烧效率均在93%以上;空燃比在6~20之间的发动机高空比冲提升了55%以上,空燃比在20~30之间的发动机高空比冲提升了75%以上。     

具有反应流的固体冲压式火箭 发动机侧向进气道排放燃烧室的研究

固体冲压式火箭发动机是冲压发动机的一种变种。本研究使用一个带侧向空气道的排放燃烧室。考虑反应流,在燃气发生器中装填了50％高氯酸铵和50％聚酯的富燃推进剂。将κ—ε联立方程描述的湍流模型和一个简单、一步、快速反应的化学动力学总合成椭圆型偏微分方程来描述流场。为了适合所研究的问题,由改进的TEACH计算机程序来求解。基于此分析,更加深入地了解到混合和燃烧对固体冲压式火箭发动机全部性能的影响。将侧向空气进气道的位置移向燃料进气道,减少侧向空气进气道的角度,以及增加空气对燃料的比例,都能改善混合和燃烧特性,提高固体冲压式火箭发动机的比冲,这与Vanka的分析结果和Schadow的试验数据定性地一致。     

侧向旋转射流进气对固冲发动机性能的影响

采用Reynolds应力方程模型及涡耗散燃烧模型,在不同旋转工况下给定相同进气流量,对侧向进气固冲发动机补燃室湍流反应流场进行了数值计算,得到了燃烧产物的平衡组分、燃烧温度和其他热力学参数,并在此基础上计算了补燃室燃烧效率、发动机推力等参数。数值模拟表明,对于侧向进气固体火箭冲压发动机,在空气射流中引入旋转流动,能有效提高补燃室内的燃烧效率,进一步提高发动机性能。燃烧效率随旋流强度呈先增大、后又减小的规律。采用最佳旋流数的旋转进气后,可使发动机推力提高约2.3%。     

固液火箭冲压发动机燃烧室流场数值仿真

固液火箭冲压发动机通过固液两种燃料匹配工作,相比传统的固体火箭冲压发动机和液体燃料冲压发动机具有较为明显的优势.基于离散相模型和单步反应模型,采用Fluent 对设计点飞行参数下,不同结构和不同工况条件下的燃烧室两相反应流场进行了数值仿真.结果表明,燃气发生器喷管参数和进气道进气角度主要影响空气与燃气流的撞击以及头部区...     

高速气流场燃油雾化液滴分布数值研究

针对亚燃冲压发动机燃烧室内部流动特点,结合二元稳定器试验台高速气流场燃油雾化特性试验,建立试验件三维模型并对其喷雾两相流动进行数值模拟。主要研究了来流马赫数以及喷嘴条件变化时燃油雾化液滴与油气比的分布。分析认为,来流马赫数的增加使得雾化特征角缩小,可同时改善燃油蒸发并获得更加均匀的油气比分布。随着供油压力的提高,离心式与直流式喷嘴雾化特征角均增大,但供油压力不是影响直流喷嘴雾化锥角的主要因素。计算结果与试验结果对比定性符合良好,定量误差范围可以接受,验证了计算模型与计算方法的正确性,所得到的结果可应用于工程设计。     

Numerical investigation on the shock wave transition in a three-dimensional scramjet isolator

The scramjet isolator, which is used to prevent the hypersonic inlet from disturbances that arise from the pressure rise in the scramjet combustor due to the intense turbulent combustion, is one of the most critical components in hypersonic airbreathing propulsion systems. Any engineering error that is possible in the design and manufacturing procedure of the experimental model, and the intense heat release in the scramjet combustor, may cause the performance of the isolator to decrease, leading to its lack of capability in supporting the back pressure. The coupled implicit Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and the two-equation standard k?ε turbulent model have been employed to numerically simulate the flow fields in a three-dimensional scramjet isolator. The effects of the divergent angle and the back pressure on the shock wave transition and the location of the leading edge of the shock wave train have been estimated and discussed. The obtained results show that the present numerical results are in very good agreement with the available experimental shadow-pictures, and the numerical method is more suitable for capturing the shock wave train and predicting the location of the leading edge of the shock wave train in the scramjet isolator than the present two-dimensional numerical methods. This is due to the small width-to-height ratio of the isolator and the intense three-dimensional flow structures. On increasing the divergent angle of the scramjet isolator, the static pressure along the central symmetrical line of the isolator decreases sharply. This is due to the strong expansion wave generated at the entrance of the isolator, and when the divergent angle of the isolator is sufficiently large, namely 1.5°, a zone of negative pressure is formed just ahead of the leading edge of the shock wave train. At the same time, the shock wave train varies from being oblique to being normal, and then back to oblique. With an increase in the prescribed back pressure at the exit of the scramjet isolator, the leading edge of the shock wave train moves forward towards the entrance of the isolator, and when the back pressure is sufficiently large, unstart conditions in the hypersonic inlet can take place if the shock train reaches the inlet.     

某型蒸发式稳定器气动及燃烧特性研究

为解决亚燃冲压发动机在高速低温来流条件下的可靠点火、火焰稳定和高效燃烧问题,对某型蒸发式火焰稳定器分别进行了冷态流场和燃烧流场的数值研究,并与常规V型火焰稳定器进行了对比分析。研究结果表明:在给定范围内,蒸发式稳定器随来流速度的增大,总压恢复系数和停留时间明显减小,回流区长度、回流率和燃烧效率变化不大;与相同槽宽的常规V型火焰稳定器相比,回流率明显减小,总压恢复系数、回流区长度和停留时间略有减小。蒸发式稳定器后部形成明显的回流区,且基本上不受外部主流流动的干扰,通过单独控制稳定器局部供油,可以使稳定器在最佳油气比下工作,有利于在高速来流条件下可靠工作。     

固体火箭冲压发动机的若干技术问题

简述了固体火箭冲压发动机类型及工作原理,总体评价了固体火箭冲压发动机发展时快时慢的原因,弹-机一体化设计、贫氧推进剂、进气道、转级机构、补燃室等设计中应注意的问题,提出了应加强的研究工作,即开展高能低沉积燃烧产物贫氧推进剂研究;完善多种燃气流量调节装置方案,提高其可靠性;进一步开展一次燃烧和二次掺混燃烧的理论和实验研究,提高燃烧效率;尽快建立自由射流等试验研究手段,开展相关的研究工作;适时开展固体燃料冲压、固体超燃冲压及膏体冲压等发动机的研究,不断拓宽应用领域。     

斜激波串与上游激波干扰特性试验研究

为研究斜激波串在背压条件下前移与上游激波相互干扰的流场结构和运动规律，在来流为马赫数 2.7 的直管道内设计一种等宽度斜楔，采用动态压力测量、高速纹影和粒子图像测速(PIV)技术等手段进行了试验。研究结果表明：内置斜楔在管道内产生入射激波、分离激波、膨胀波、再附激波和激波诱导分离等复杂上游激波流场，在分离区附近形成有顺压梯度和逆压梯度的区域。当增大下游压比时，斜激波串逐渐向上游激波流场移动；经过斜楔产生的分离区时，斜激波串的移动速度急剧提升，同时出现非对称分离偏转方向的切换。对比了三种长度尺寸的等楔角斜楔所产生的上游激波流场的差异性，发现在相同的斜楔前缘起始点和楔角时，随着斜楔长度的增加，上游激波流场中激波诱导的分离尺度逐渐变大。     

金属/水反应冲压发动机三维内流场数值模拟

采用颗粒轨道模型进行了燃气发生器式金属/水反应冲压发动机补燃室两相流的数值模拟,建立了水冲压发动机补燃室反应流模型,并对某发动机进行了模拟,研究了一次进水时不同喷注位置和喷孔个数对铝颗粒燃烧效率和发动机性能的影响规律,得出了反应物和产物组分、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,存在使发动机性能达到较优的进水位置,一次进水以2孔对称分布为宜。模拟结果可为发动机设计提供参考。