一种一体化加力燃烧室的数值模拟

为适应新一代航空发动机高推质比的设计要求,设计出一种一体化加力燃烧室方案,利用截尾支板与带凹腔的分流环组合结构取代了传统火焰稳定器。对该方案进行了数值模拟研究及试验验证,结果表明:在该一体化加力燃烧室内涵中有3个低速回流区;截尾支板结构不仅起整流支板的作用,还能够起到火焰稳定器的作用;燃烧效率在90%～93%之间,流阻系数约为0.26;在所研究的工况下总压恢复系数均高于0.975,且主要的总压损失集中在截尾支板及分流环凹腔处。      

多凹腔燃烧室煤油非定常超声速燃烧流动过程研究

为探究多凹腔燃烧室的燃烧流动过程,采用非定常方法对液态煤油超声速燃烧特性进行了数值研究。计算结果发现,随着燃烧释热的进行,一道拟正激波被推到靠近隔离段入口处,最大压比达到3.77,燃烧达到稳态需要22ms;上游凹腔处煤油液滴运动轨迹表现出很强的非定常性,其运动方向与当地流动时刻的压力条件相匹配,上凹腔附近的液滴穿透深度明显大于下凹腔的,液滴个数也大于后者;出口总压恢复系数为47.09%,与实验值47.50%很接近,出口燃烧效率达到72.91%,体现了多凹腔燃烧室在保证燃烧性能较好时总压损失较低的优点;扩张型面上的凹腔质量交换律大于平直型面上的,表明型面扩张有利于增强凹腔内燃料与主流空气的质量交换;计算预测的燃烧室侧壁、上壁、下壁压力均与实验值吻合得较好。     

三维超声速燃烧室凹腔构型的优化设计及参数分析

凹腔构型对超声速燃烧室的燃烧效率、阻力特性、火焰稳定等性能都有重要的影响,且凹腔构型各参数变化产生的影响存在复杂的耦合作用。因此,针对横向喷射燃料的三维超声速燃烧室凹腔构型进行了基于代理模型的优化设计及参数分析研究。首先对凹腔的长度、深度和后壁倾角进行正交试验设计,数值仿真用以对凹腔燃烧室进行流场与性能分析,建立燃烧室燃烧效率和总压恢复系数与设计变量间的代理模型,根据基于替代模型的复杂系统优化策略,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对凹腔构型进行二次优化设计,得到Pareto前沿面。结果分析表明,优化凹腔构型可分为窄深型、浅长型和中深中长型,分别对应Pareto前沿面的急变段、平缓段和巨变段;凹腔燃烧室的燃烧效率与凹腔长度呈负相关,与凹腔深度呈正相关,总压恢复系数反之;后壁倾角对总压恢复系数和燃烧效率影响均较小。平缓区的燃烧室压力幅度变化小且总压恢复系数高,其长深比在2.67~8,在不需要极高的燃烧效率情况下,可以优先选择平缓区凹腔构型。     

凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室性能

为了避免基于凹腔火焰稳定器的亚燃冲压燃烧室壁面喷注时燃料与主流空气掺混非均匀性问题和提高燃烧室的性能,提出在亚燃冲压燃烧室中使用支板喷注代替壁面喷注的方案,数值模拟了凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室中燃料分布及流场结构,并分析了支板结构对燃料空气混合及燃烧室性能的影响。研究表明:支板虽然使燃烧室出口的总压恢复系数相对于壁面喷注方式下的降低了63%,但能使燃料均匀分布于整个流道内,增强了燃料与空气掺混,使燃烧室出口的混合效率和燃烧效率分别提高了21.4%和20.5%。燃烧效率的提高弥补了采用支板导致的燃烧室内气流的额外总压损失所带来的机械能损失,使得支板喷注时燃烧室出口的比冲提高了39.6%。因此,在亚燃冲压燃烧室中设置凹腔/支板结构,有利于提高燃烧室整体性能。      

低马赫数下多凹腔燃烧室非稳态燃烧过程

作为稳定火焰的有效手段之一,凹腔构型在冲压发动机燃烧室研究中占有重要地位。在对以煤油为燃料的多凹腔燃烧室冷/热态流动特性分析的基础上,重点研究低进口马赫数条件下燃烧室点火起动初期非稳态过程。结果表明：上游凹腔内大涡结构有助于提高燃料的驻留时间,未燃混气被高速主流带入下游凹腔内继续反应,进一步提高燃烧效率;燃油喷射速度决定被卷吸进回流区的燃油质量分数的大小,进而影响燃烧效率高低;燃烧室点火起动初期出现了主流熄火、火焰逆流传播以及主流再着火等复杂现象,火焰逆流传播现象是在上游凹腔内燃料自燃与下游燃烧释热压缩来流两种机制共同作用下完成的。     

煤油燃料RBCC亚燃模态掺混与燃烧数值模拟研究

为了探索RBCC(Rocket Based Combined Cycle)亚燃模态条件下掺混燃烧性能,对多种工况进行了数值计算。对比分析了各工况下的燃烧室压力、掺混反应效率、总压损失等参数来分析燃烧室内部特性的变化。从数值模拟的研究中可以发现:由于RBCC亚燃模态的特点,一次火箭高温羽流,使得喷注的燃料能够有效地雾化蒸发,通过支板的混合增强作用能有效地提高煤油燃料的掺混能力,凹腔又适当的延长了煤油在燃烧室的停留时间,形成有效的火焰稳定区域,两种有效的火焰稳定方式的结合能实现液体燃料稳定有效的燃烧,而且双凹腔前后组合也能提高燃料的掺混燃烧能力。从计算中还可以发现,合理地布置支板与凹腔的相对位置能提高燃料的掺混反应效率,实现燃料的充分燃烧,并对燃烧性能提高有明显的帮助。     

凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该加力燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:随着偏转角(5°~17°)的增大,支板稳定器的整流效果变差,得到的流场的均匀性变差;随着进口马赫数(0.18~0.30)的增加,凹腔内旋涡结构变得完整,从凹腔出来的气流沿径向支板稳定器的穿透能力增加.气流在支板稳定器后形成了低速区回流区,随着进口马赫的增加,回流区的宽度有所增加;加力燃烧室的总压损失随进口马赫数的增加而增大,较常规V型稳定器的总压损失大.      

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。     

高温引气对亚燃冲压燃烧室性能影响的研究

将高温引气加热煤油的方法、凹腔火焰稳定器和支板喷注器结构应用于亚燃冲压发动机燃烧室中,以提高煤油的点火能力和火焰稳定性。采用有限体积方法求解雷诺平均N-S方程及组分方程,对无引气和有引气时燃烧室内的流场结构进行了数值研究,对比研究了引气温度对燃烧及发动机性能的影响。研究发现,引气温度越高,燃料喷注对流场和温度场的影响越小,燃料分布越均匀;与无引气相比,引入高温气体虽然使总压恢复系数有所降低,但是混合效率、燃烧效率和燃烧室比冲都有提高;特别是有引气(煤油温度T=500K)时,在喷注点后X=480mm处混合效率提高了7.03%并混合完全,在燃烧室出口总压恢复系数降低了5.34%,燃烧效率和比冲分别提高了17.51%和20.29%。引入高温气体加热液态煤油省略了煤油的雾化和汽化过程,增强了燃料与空气掺混,改善了燃烧稳定性,有利于提高燃烧室整体性能。     

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。