受限空间二维超声速混合层混合增强数值研究

本文研究了具有双燃烧室冲压发动机超声速燃烧室工程背景的受限空间超声速混合层的混合增强措施——低速流入口加入沿流向振荡。研究结果表明：它对二维混合层的混合增强效果明显,加振荡后流场燃烧强度加大,但仍属于较弱燃烧强度;振荡频率决定着涡量聚集区域的位置和大小,振幅决定着涡量分配和聚集的均匀程度。     

不同隔板构型下带反应超声速混合层实验

为了考察超声速混合层混合、燃烧流场特性，并探索其被动增强方法，利用高速纹影、自发辐射成像和平面激光诱导荧光(PLIF)技术对压力匹配条件下的超声速混合层在不同隔板构型下的流场特性进行研究.结果表明:相对于对混合层混合的影响，凹腔对燃烧的影响明显受到抑制；尾部交错结构隔板促进混合层流向涡的产生，大大提高了混合层内燃烧强度.      

基于火焰面模型的超声速燃烧混合LES/RANS模拟

为了明晰超燃冲压发动机燃烧室内部燃烧过程的细节,建立了超声速湍流燃烧稳态火焰面亚格子模型,并采用混合LES/RANS方法对氢燃料超燃冲压发动机进行算例验证.控制方程对流项用五阶精度WENO格式离散,时间方向采用二阶Runge-Kutta方法.研究表明:(1)冷流流场中燃料分布与大尺度结构分布相似,说明混合过程受大涡控制;(2)燃烧流场中涡的尺寸明显变大,且仅存在于火焰面上,另外温度分布和主要生成物分布与涡量云图基本相同,说明燃烧过程也由大涡控制;(3)时均计算结果与实验阴影基本符合,速度剖面和温度剖面与实验测量值定性一致,说明本文的数值模拟方法和燃烧模型可以较好地描述和预测超声速流动燃烧过程.     

超声速混合层转捩过程实验研究的进展

超声速湍流机理的实验研究是一件十分困难的工作.在2000年以来,本研究小组在低噪声超声速混合层风洞研究、超声速流动精细结构测量技术研究方面取得了重要进展,这给超声速混合层湍流精细结构的研究奠定了基础.为了研究超声速混合层及其气动光学问题,在研制的超声速混合层风洞中,主要以基于纳米技术的平面激光散射技术(Nano-trace Planar Laser Scattering,简称NPLS)为基础,研究了几种对流马赫数的超声速混合层从层流到湍流转捩过程K-H不稳定涡的空间结构,以及K-H不稳定涡的空间结构随着时间的发展过程.实验结果清晰地反映了湍流混合的不稳定性与转捩的精细结构,以及转捩过程的展向精细结构.     

后掠结构对超声速燃烧斜坡喷注器性能的影响

为增进超声速流场中燃料与来流的混合,提高超声速燃烧效率,缩短燃烧室长度,设计了两种结构的斜坡喷注器.并对这两种喷注器进行了纹影、油流谱和火焰传播等实验研究.对比数值仿真结果,分析了后掠角结构对斜坡混合性能影响的机理,发现后掠设计能有效促进流向涡的卷起,并加速燃料喷流柱的抬升过程,这不仅增进了混合,也有效增强了其对火焰的稳定作用.      

两种超声速燃烧室内氢气燃烧的三维数值研究

通过隐式耦合求解可压缩N-S方程及组分方程,对台阶喷射燃烧室和支杆喷射燃烧室内的流场进行了三维数值研究.研究结果表明,支杆喷射燃烧室喷人氢气,在整个流道内产生的流向涡和横向涡更加强烈,更加能够促进氢气和空气在流向的对流掺混和扩散掺混效果,从而使得燃烧室内的掺混距离缩短;同时,这两个超声速燃烧室内的凹槽结构能起到增强掺混和稳定火焰的作用,使燃烧室后部燃烧区域增大.      

超声速燃烧室内氢气燃烧的三维数值研究

通过隐式耦合求解可压缩N-S方程及组分方程,对氢气的超声速燃烧进行三维数值模拟,对燃烧室内的冷热态流场,以及氢气喷射压力对燃烧的影响进行了系统分析和研究.研究表明,燃烧放热以及氢气喷射压力提高都会导致燃烧室内波系结构变化,沿周向的流向涡增强,压缩波和膨胀波与氢气核心区的相互作用增强,促进氢气和空气的掺混,更利于氢气的燃烧.      

强迫振动下超声速混合层的掺混特性

利用实验研究与数值仿真相结合的方法,对强迫振动下对流马赫数为0.22的超声速混合层的掺混特性进行了分析,采用动量混合、雷诺应力以及标量混合指标对超声速混合层的掺混效率进行评估.研究结果表明:强迫振动对超声速混合层的掺混特性有重要影响.与无振动下相比,强迫振动使混合层的失稳位置提前,卷起的展向涡尺度变大,加快上下两层流动的混合.同时,强迫振动下,动量混合和标量混合更加充分.振动频率为4500Hz时,雷诺应力峰值提高约48%,薄平板后缘下游160mm处,动量厚度增长120%.      

超声速燃烧气动斜坡喷注器研究

为增强超声速燃烧过程的燃料混合,设计了通过喷嘴阵列形成流向涡强化混合的气动斜坡实验件.在直连式实验台上对气动斜坡实验件进行了纹影及油流谱等冷试实验研究.并采用大涡模拟(LES)方法数值模拟了超声速流场中气动斜坡的流动及燃烧特性.结果表明:气动斜坡喷注器的喷嘴阵列设计能有效加速喷流后流向涡的卷起,提高掺混特性;其燃烧过程也能使喷流形成的剪切层上抬,增进混合;由于喷流方向与主流方向夹角较小,总压损失也较物理斜坡、横向喷流等混合增强方式小.      

局部进气条件下空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究

为揭示空气涡轮火箭发动机燃烧室中富燃燃气与空气在涡轮局部进气条件下的混合增强机制和燃烧反应机理,对富燃燃气与空气的湍流混合及燃烧过程进行了数值模拟,并结合试验结果定量分析了两类燃烧组织方案的掺混和燃烧效率。研究结果表明:涡轮局部进气条件下波瓣混流器强化掺混的主导因素是大尺度流向涡的对流型混合,涡轮局部进气对涡系的初始空间分布及涡量强度具有显著影响,其对下游掺混质量的影响与波瓣型面相关;肼分解燃气与空气的燃烧是一种分支链锁反应,其主要反应历程是氢气的氧化反应和氨气的分解,热混合效率可作为掺混燃烧效率预测的重要参考量。      

碳氢燃料流向涡掺混超燃模型燃烧室冷态流场数值研究

对一种超声速燃烧模型燃烧室的冷态流场进行了数值研究。为稳定超燃火焰并提高燃烧速率和效率,取少量的冲压空气进行稳定的亚燃预燃烧,并以之作为超燃室的一个稳定火炬,其高温燃气将吸热型碳氢燃料预先蒸发汽化并部分裂解为短链小分子,最后通过城墙波瓣掺混器形成的流向涡带入超声速主流,以期实现快速高效的超燃燃烧。计算结果表明:首先,城墙波瓣掺混器能够在较小总压损失下得到显著掺混效果;其次,本文从气动结构的角度专门探究了亚/超燃接力阶段较低的隔离段进口马赫数存在热堵塞的可能性,发现较难适宜超燃启动点火。     

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

喷管加装小突片强化射流混合的PIV测量

在常温、超声速流动状态下,采用PIV技术定量测量了收敛喷管和收扩喷管加装小突片时射流纵截面的速度场和涡量场,并对其速度场和涡量场进行了比较。结果表明,对于收扩喷管,虽然其速度边界层厚度明显大于收敛喷管,但加装小突片结构也能够明显的强化射流的混合。并且发现,小突片结构不仅能产生流向涡,而且对周向涡有明显的强化作用。     

马赫数2.5超燃室中超/亚声流流向涡掺混冷态流场数值研究

结合实验,对一种带亚声速预燃室和流向涡掺混器的超声速燃烧模型燃烧室,在其进口马赫数为2.5的来流条件下,进行了冷态流场的数值研究.计算与实验得到的燃烧室沿程压力分布相当一致,计算与实验得到的激波结构也基本吻合.计算结果表明:首先,在马赫数2.5的来流条件下,亚燃预燃室易于达到启动状态;其次,流向涡掺混器增强超/亚声速流之间的掺混的效果明显,但其掺混深度尚有限;最后,流向涡掺混的超燃室掺混段有着复杂的激波膨胀波波系,波涡干涉和激波附面层干涉结构.     

脉冲能量沉积对超声速射流/激波相互作用掺混的控制研究

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并与20°压缩斜面所产生的斜激波相互作用。在流场中引入脉冲能量沉积对射流掺混进行控制,并考虑射流马赫数、射流长度、能量沉积位置及激励频率对掺混效果的影响。对比激励流场与基础流场,结果表明:脉冲能量沉积的加入诱导射流形成大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果;能量沉积位置对于不同马赫数射流的掺混增强具有不同的控制效果;激励前后射流宽度的对比表明,脉冲能量沉积的无量纲激励频率在0.22附近时,可使得射流的掺混效果最佳。     

马赫数2.5超/亚声流流向涡掺混超燃室冷态实验

结合对应的数值计算,对一种带亚声速预燃室和流向涡掺混器的超声速燃烧模型燃烧室实验台,在其进口马赫数为2.5的来流条件下,进行了冷态流场的实验研究.实验测得其壁面静压分布和激波系结构与流场的CFD计算结果基本一致.实验结果表明,模型燃烧室全流场超声速,达到设计状态.马赫数2.5下的冷态实验数据和CFD计算数据为进行点火实验提供了依据.      

来流边界层拟序结构对超声速混合层流场结构的影响研究

超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景。通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像。根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响。结果表明：当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率。     

波瓣喷射器强化混合的数值研究

利用FLUENT CFD(computational fluid dynamics)数值计算软件,对波瓣喷射器中无化学反应异类气体的混合过程进行了数值研究,二氧化碳气体作为主流从波瓣状狭缝中喷出,与同向空气流在混合管内进行混合.获得了两股气流相互混合过程中的速度分布、流向涡分布、组分分布等相关信息,分析了波瓣喷射器结构参数对流向涡环流强度的影响.波瓣喷射器诱导的流向涡强化了同向流动气体之间的混合效率,组分分布较为均匀.