模型超音速燃烧室流场和性能的数值模拟

研究了简化模型超音速燃烧室流场和性能的数值模拟方法，该燃烧室在支板后缘设置一缝隙式喷嘴，平行于超音速空气流喷射氢气。用椭圆型偏微分方程数学模型，ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ差分格式成功地计算了两种不同后绿尺寸的流场及其性能，为了对照比较，还计算了另外两种流场。计算结果表明，支板后的流场存在回流区，因喷氢的压力高于超音速空气流的压力和壁面附面层的影响，燃烧室内将出现斜冲波和膨胀波，压力沿横向变化明显，由此证明流场与“边界层流动”有性质上区别。提出了全流场按性质不同分段进行数值模拟的方法，利用计算得到的流场节点状态参数（如温度、压力等），积分获得燃烧室的性能参数，和文献的实验数据对比，计算结果合理、可靠。     

液体射流在强化超音速燃烧中的应用

研究了在燃烧室入口马赫数为2的超音速燃烧中,液体射流所产生的振荡激波对强化超音速燃烧的作用。经过一维分析,证明了在离燃料喷嘴适当位置上喷射液体,所产生的振荡激波能强化超音速燃烧,提高燃烧效率。      

超音速气流中横向喷射氢气流场数值模拟

本文通过应用Mac Cormack显式时间分裂法和Baldwin-Lomax修正的代数湍流模型求解二维可压缩的N-S方程和混气组分方程,对超音速气流中横向喷入氢气后的流场进行了数值模拟。计算结果示出了流场中速度矢量分布,静压、静温和氢气质量分数的等值线分布,反映出了喷嘴附近流场回流区的大小及可能的点火位置,从而为超燃冲压发动机的设计工作提供理论指导。     

超音速气流中氢燃料强化混合的燃烧实验研究

扼要介绍了在超音速气流中，采用后掠斜坡、多级喷射、振荡激波技术强化混合的氢燃料喷嘴，进行自点火和燃烧的实验概况。以实验模型结合喷射方式特点，分析了强化机理。实验表明，多级喷射的燃烧效率高，扩张型后掠斜坡喷嘴的抗干扰能力强，总压损失低，液体喷射产生的振荡激波能加强混合，提高燃烧效率。     

超音速气流中横喷氢气自动着火与燃烧非定常过程的实验研究

进行了Ｍ＝２超音速流中横喷氢的自动着火及燃烧非定常过程实验研究，用高速纹影摄影、壁面动态和静态压力测量仪及壁温热电偶等进行了测量。得到了喷嘴后回流区壁压随时间的变化规律，以及壁压和壁面秒温升沿轴线的变化趋势。获得了来流空气总温和喷氢量对自动着火过程的影响。     

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。     

氢／空气超声速燃烧研究

Ｈ２／Ａｉｒ在两种不同的燃烧室尺寸、七种燃烧喷注方式下进行了系统的超声速燃烧实验。实验空气的滞止温度在２０００Ｋ左右，滞止压力１￣１．４ＭＰａ，总流量２ｋｇ／ｓ，燃烧室进口马赫数２．５，可以模拟飞行Ｍ数为７的超燃冲压发动机中的燃烧工况。新开发的一维超声速燃烧程序ＳＳＣ－１可以估算出燃烧室内的流场参数、燃烧效率和总压损失。计算结果与实验进行了比较，发现较好的一致。实验结果表明，利用垂直喷射，燃烧效率     

激光M-Z干涉法应用于超音速燃烧流场测量

纳秒级脉冲红宝石激光器作光源、一次成像的Polaroid相机接收图象的M－Z干涉系统用于超音速混合及燃烧流场的测量获得了清晰的干涉照片。利用计算机图像处理技术及自行开发的干涉图处理软件对获得的干涉图进行了处理，得到定量的燃烧流场密度分布。     

氢气超音速燃烧非定常过程数值模拟

用有限差分法求解二维Ｎ－Ｓ方程和组分守恒方程，使用代数涡粘性湍流模型，两步化学反应模型和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂法，模拟超音速气流中横喷氢气自动着火及火焰传播过程，清晰地描述了喷氢、火焰传播到主流、稳定燃烧过程中，温度、压力、速度和油气当量比的变化。计算结果表明，高温附面层和喷嘴前回流区能促使氢气自动着火，进口气流的静温是火焰向主流传播的重要影响因素。计算还证明了喷嘴后氢与空气两股流呈现平行流动，其间存在着强烈的湍流交换和化学反应边界层，超音速燃烧效率则主要取决于两股气流的混合速率。     

全流量补燃循环气气燃烧相似性缩尺试验研究

为指导全流量补燃循环发动机推力室全尺寸气气喷注器设计,采用气氢/气氧推进剂,在带可视化窗口的燃烧室中开展了气气燃烧流场相似性缩尺试验研究。采用高速摄影仪获得了不同流量工况下,同轴剪切喷嘴稳定燃烧和不稳定燃烧两种状态下近喷嘴区域的燃烧火焰结构,并分析了不稳定燃烧的频率特性。结果表明:在保持推进剂种类、推进剂混合比、推进剂温度、燃烧室及喷嘴结构尺寸不变的情况下,随着喷嘴流量的逐步增大,稳定燃烧和不稳定燃烧的喷嘴出口火焰结构均有一定的相似性,且不稳定燃烧的频率相同。     

污染空气对氢燃料超声速燃烧室性能的影响

采用纯净空气和污染空气来流下对比试验的方法,研究了飞行马赫数4条件下H2O和CO2污染组分对氢燃料超声速燃烧室性能的影响。对比试验中针对纯净空气来流和污染空气来流匹配了来流总温、总压、氧气摩尔分数和当量油气比。完成了0.53和0.42两种当量油气比条件下纯净空气来流和污染空气来流的氢燃料超声速燃烧试验,预定考察的H2O污染组分摩尔浓度分别有7.5%,18%和26%三种,CO2污染组分浓度有3.0%和7.5%两种。研究结果表明,H2O,CO2或H2O+CO2组合污染对燃烧诱导压升产生了明显的非线性抑制影响,直接将污染试验空气来流下的试验结果外推应用到飞行条件,可能导致供油量偏大、甚至进气道不启动;同时也影响了隔离段内燃烧诱导激波链结构,使燃烧工作模态趋向于超燃模态。     

污染空气对乙烯燃料超声速燃烧影响的试验

为了评估污染组分对乙烯燃料超声速燃烧性能的影响,利用西北工业大学电阻加热直连式超声速燃烧室试验平台,模拟飞行Ma=4条件下的燃烧室进口条件(总压pt=760kPa,总温Tt=800K,Ma=2),开展了来流分别为纯净空气和污染空气的乙烯燃料超声速燃烧对比试验。完成了当量油气比ER=0.57,来流分别为纯净空气和污染空气(CO2摩尔浓度分别为3%,7.5%,H2O摩尔浓度为7.5%)条件下的对比试验。试验匹配了纯净空气来流与污染空气来流燃烧室进口总压、总温、氧气摩尔浓度(21%)、Ma数与当量油气比。给出了燃烧室壁面压力分布对比试验结果与分析。     

超音速混合及燃烧的强化技术

超音速气流中燃料与空气混合直接关系到燃烧效率，强化超音速混合及燃烧已成为各国专家正在解决的关键问题之一。本文在广泛搜集资料的基础上，归纳了已有的强化技术，为开展强化超音速混合及燃烧技术的研究作了必要的准备。     

基于先锋氢点火和双凹腔火焰稳定的煤油超声速燃烧特性

采用先锋氢火焰点火方式和串联双凹腔火焰稳定机制,开展了模拟飞行马赫数4.0纯净空气条件下液态煤油燃料超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的试验研究。典型的燃烧室进口来流状态为马赫数2.0,总温约815K,总压700～800kPa。试验中上游凹腔采用喷油/点火一体化设计并几何结构保持恒定,分别研究了下游凹腔深度10mm,12.5mm和15mm时对煤油超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的影响;此外,通过串联双凹腔沿轴向后移及间距拉大,研究了其对煤油超声速燃烧特性的影响。试验结果表明:(1)采用先锋氢辅以火花塞点火方式可以可靠实现煤油燃料超声速点火,并最终实现自持稳定燃烧。(2)下游凹腔起到了很好的火焰稳定器作用,增大凹腔深度可以有效地增强火焰稳定性能,同时扩展火焰稳定的油气比范围。(3)双凹腔后移使得主燃烧区向下游移动,在相同油气比条件下有效缓解燃烧诱导压升对上游隔离段的扰动。     

基于气动斜坡/燃气发生器的超燃燃烧室实验

为探索超燃冲压发动机燃烧室中的新的火焰稳定技术,提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术,并在北航直联式超燃试验台对这种新型组合喷注器开展了超声速燃烧的试验研究。在模拟飞行马赫数5(燃烧室入口Ma=2),进行了冷流试验,获得了喷注器附近流场的纹影图像。本文设计了4种气动斜坡喷注单元,以乙烯为燃料,在约1kg/s试验气流中开展了多级喷注单元组合的超声速燃烧试验,在当量比0.78～1.22范围内实现了稳定的燃烧,经冲量分析法计算得到不同组合结构的燃烧效率为0.54～0.72。试验结果验证了这种新方案作为超然冲压发动机火焰稳定装置的可行性。     

当量比对带凹腔超声速燃烧室流动及燃烧特性的影响

通过调节燃料氢喷射压力参数从而改变油气当量比,分别在冷态喷流与燃烧情况下计算了当量比对流场波系及燃料与空气的掺混、燃烧特性的影响.研究表明:增大当量比会增大燃烧反压,扩大上游边界层分离区,逐渐将激波串推向燃烧室进口;同时发现燃料与空气的混合性能在近场处受当量比影响较大,随当量比增大混合效果明显增强,而在远场处基本不再受当量比变化的影响;增大当量比一定程度增大射流穿透深度,但并不能明显改善燃料分布区不合理问题,导致燃烧效率随当量比单调下降;流场总压损失及凹腔阻力系数均同当量比成正比例关系,而流场摩擦阻力随当量比单调下降,且燃烧使摩擦阻力更小.      

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

超燃燃烧室悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构研究

超燃燃烧室中燃料的掺混强化问题备受关注,为了优化悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构在超燃燃烧室中的流场特性,运用数值模拟方法对悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构的冷、热流场进行研究,对比分析有无凹腔结构、悬臂斜坡喷注器/凹腔不同位置组合对流场特性的影响。结果表明:随着组合位置距离的增大,凹腔的稳定燃烧作用变强,但不同的组合位置会带来燃烧室不同的燃料掺混效果和燃烧特性;综合考虑,组合距离h=30mm虽然总压损失较大,但却拥有更强的燃料掺混效果和更大的燃烧效率收益,流场特性最优。