声学扰动对燃烧室声学特性的影响研究

针对利用旋转齿轮对燃烧过程施加高频声学扰动的方法,为获得其对同轴离心喷嘴燃烧室声学特性的影响,设计了一种带辅喷管的单喷嘴扁平燃烧室,分别在冷试和热试工况下研究了旋转齿轮声学扰动装置对燃烧室声学特性的影响。冷试中当扰动频率等于燃烧室某振型的特征频率时燃烧室内出现驻波特征振荡。热试重点关注了煤油蒸气/富氧空气燃烧过程对声学扰动的响应,改变扰动装置的位置可改变声压波节线的方向,实现推进剂喷入位置为声压波腹或声压波节。研究表明,一阶切向声学振荡对同轴离心喷嘴与声压波腹的相对位置敏感,煤油蒸气/富氧空气燃烧过程易受声压波动的影响,推测液氧煤油补燃循环发动机内的高频燃烧不稳定性可能易被声压波动激发。     

富氧燃气发生器动态特性分析

建立了描述富氧燃气发生器动态特性的线性化频域模型,以分析推进剂流量扰动对发生器室压的动态作用.通过与文献中试验数据对比,验证了模型和计算方法的合理性.在低频范围内采用考虑熵波的绝热流动模型,比较煤油和液氧流量扰动引起发生器压力振荡的频率响应,结果显示煤油流量扰动更易引起较大的熵波幅值.分析了燃烧温度与混合比关系的无量纲斜率、涡轮压比系数和燃烧时滞对发生器频率特性的影响规律.在很宽的频率范围内分析发生器的动态特性,需采用考虑声学效应的分布参数模型,既能在低频范围内涵盖绝热流动模型,又能反映气路的纵向声学振荡.      

燃烧室压力振荡对液-液同轴离心喷嘴混合比的影响

基于液体喷嘴动力学理论,对燃烧室压力振荡引起同轴喷嘴混合比振荡的动态过程进行了理论分析,推导得到了混合比振荡与燃烧室压力振荡之间的传递函数。通过算例计算了液氧煤油双组元喷嘴混合比对室压振荡响应的传递函数的幅频特性。结果表明：混合比振荡幅值随着振荡频率的增加呈现先增加,后减小的趋势。传递函数值随供应系统压力的升高而增大,随喷嘴压降的升高而减小。混合比振荡最大幅值所对应的频率不随供应系统压力和喷嘴压降变化而改变,说明此频率是由双组元喷嘴的特性决定的。     

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

三组元发动机燃烧稳定性试验

设计了气氢／液氧／煤油三组元双工况模型发动机，对不同燃烧室压力、燃料比例，喷注器的结构，燃烧室长度，混合比条件下的高频燃烧稳定性进行了试验，试验中观察到低频和高频自激燃烧不稳定，有限的试验表明，较大的缩进比和较小的旋流数有利于燃烧稳定，提高燃料中氢气的比例＞10％时，有利于燃烧稳定；但氢气对烃氧燃烧稳定性的提高不是绝对的，氢气在燃料中的比例达39％时，燃烧室内仍存在压力为0．13MPa的压力脉动。     

液氧/煤油富氧预燃室的理论分析和试验研究

通过数值计算, 分析了富氧预燃室喷注单元的结构设计及其对燃烧的影响, 并使用具有三个喷注单元的缩尺预燃室, 对液氧／煤油的富氧燃烧进行了试验评价。数值计算和试验表明, 燃气温度的均匀性与燃烧室长度有关; 对带缩进长度和二次喷注的喷注单元, 应合理地选择缩进长度及缩进室的混合比; 富氧预燃室能正常可靠地点火和工作, 能满足大范围推力调节的要求。     

甲烷-液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法和火焰面-反应进度变量湍流燃烧模型,在准确考虑热物性变化和详细化学反应机理的基础上,建立了适用于超临界压力非预混湍流燃烧的数值模型,开展了甲烷-液氧(LOx)超临界压力同轴喷射非预混湍流燃烧过程的数值模拟研究,着重探讨了推进剂混合比分别为1和3情况下超临界工作压力(6~15 MPa)对甲烷-液氧非预混湍流燃烧过程的影响。结果表明:不同混合比情况下压力对火焰温度和结构的影响会有显著的不同。在推进剂混合比为1时,随着压力的升高,火焰变得更长,且火焰温度升高;而在推进剂混合比为3时,随着压力的升高,火焰长度则会变短。在超临界压力下,火焰沿径向有突然的扩张现象(特别是在6 MPa压力下)。这主要与液氧物性在拟临界温度附近的突变所造成的拟沸腾现象有关,也会受到液氧喷射动量变化的影响。     

超临界环境下煤油替代物液滴燃烧特性数值研究

为研究液氧/煤油火箭发动机燃烧室内经喷注形成的煤油液滴的燃烧过程，基于实际气体状态方程、高压热物性修正、高压气液平衡和详细化学反应动力学，建立一维的全瞬态液滴燃烧模型，对超临界环境下两组分煤油替代物液滴的燃烧特性及液滴初始直径的影响进行仿真研究。结果表明，在超临界环境下，相比于煤油液滴纯蒸发过程，煤油液滴燃烧过程的迁移时刻大大提前；煤油液滴着火之后很快进入超临界燃烧阶段，此时液滴燃烧过程可以看成中心附近的燃料高浓度区与外侧氧气高浓度区之间的扩散燃烧过程；煤油液滴的火焰半径先增大，达到最大值之后开始减小，并减小为零，火焰温度在着火之后快速上升至最大值，并基本保持不变，在火焰半径减小为零之后开始降低；随着液滴初始直径的增大，火焰特性以及液滴中心参数变化曲线趋势不变、整体延迟，着火时间、迁移时间和液滴寿命增大。     

煤油液滴在富氧燃气中不稳定燃烧的数值研究

采用数值分析的方法,对富氧燃气中的煤油液滴的不稳定燃烧过程进行了研究。采用一维轴对称N S方程,考虑了高压实际气体物性和液滴/气团表面气液平衡。计算中空间和时间尺度分别为μm和μs的量级。结果表明,液滴在接近超临界点时,物性的快速变化会引起一定频率的自发振荡;超临界气团对不同压力振荡频率的响应不同;煤油蒸汽的消耗速率对压力振荡的响应不同于蒸发速率的响应,热量释放对压力振荡也具有明显的响应。     

富氧预燃室高压缩尺试验研究

为满足液氧／煤油发动机推力大范围变化和预燃室要在大范围工况条件下工作的要求，采用带缩进长度和二次喷注的双组元离心式喷注单元，对富氧预燃室进行了高压缩尺试验研究。头部二次喷注孔为矩形和圆形、身部4种不同长度的6台试验件的试验结果表明，缩尺试验的最好温度均匀性≤50℃，燃气平均停留时间为10ms左右，矩形和圆形喷注方案的缩进室混合比分别小于20和24时可以避免产生低频不稳定燃烧。所得结论可用于液氧／煤油发动机的研制，并对新型发动机的研制具有一定的借鉴作用。     

气氧/煤油富燃燃气发生器燃烧试验研究

为了研究航天煤油的富燃燃烧特性,设计了一个气氧/煤油富燃燃气发生器,并进行了室压范围1~4MPa、混合比范围0.25~0.52的燃烧试验,获得了混合比和室压对特征速度、燃气温度及燃烧效率的影响规律。试验结果表明,采用火花塞点火方式可以实现该燃气发生器在高度富燃条件下的可靠点火;在本文研究范围内,试验测得的特征速度和燃气温度明显低于化学平衡理论预测值,燃烧效率介于63.9%~88.3%之间。混合比是特征速度、燃气温度及燃烧效率的最大影响因素,室压的影响远小于混合比。燃烧效率与实际燃气温度与理论燃气温度比值的平方根成正比。     

Mg-O_2和Mg-CO_2预混气燃烧特性及热声振荡的数值模拟研究

基于金属镁在高超声速飞行器及火星探测器上的应用,为探讨金属燃料在不同氧化剂环境中的燃烧特性及热声不稳定性机理,开展了数值模拟研究。考虑镁蒸气与O_2和CO_2两种氧化剂的剧烈反应区,构建了预混燃烧的二维燃烧室模型,详细探讨了预混气当量比、预混气初温及入口速度等对燃烧特性及热声振荡特性的影响规律,并与CHEMKIN计算结果进行了比较分析。结果表明,较高的当量比下燃烧室的燃烧速率更快,燃烧平衡温度更高,此外增加预混气初温能加快燃烧室燃烧速率,而更高的入口速度会使燃烧室的压力振荡从低频高振幅振荡向高频低振幅振荡转化。燃烧室的压力振荡同时存在轴向振荡和径向振荡,振荡曲线为高频振荡和低频振荡的不同组合。入口速度对燃烧室压力振荡有较大影响,入口速度越快,振荡频率越高,而声压级越低。此外,预混气当量比和预混气初温对燃烧室的压力振荡也有一定影响。     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

超声速燃烧室中煤油分布对燃烧性能的影响

为研究煤油分布对燃烧性能的影响,在来流马赫数6,总温1650K的条件下,通过改变喷孔数量、喷射方向(单向对喷、双向喷)、喷孔排布方式(单列3孔、4孔)等,实现煤油在燃烧室截面上的不同均匀程度,获得了壁面压力及推力收益等数据。实验表明,单列4孔更易于煤油进入附面层和凹槽内的回流区等低速高温区域,有利于对点火和火焰稳定;对喷时燃烧主要集中在燃烧室核心区,虽可避免壁面承受太大的热载荷,但中部极度富油的状态对总燃烧效果有负面影响;双向喷能够充分利用两个侧壁附近的角落区,在整个燃烧室截面上的分布更均匀,燃烧效果更好,推力收益更大。     

喷管摆动角度和频率对SRM中压力振荡响应特性的影响

喷管摆动可能会诱发燃烧不稳定性,而不稳定性问题已经受到了国内外研究人员的高度重视。为了研究喷管摆动角度和频率对燃烧室内压力振荡响应的影响,采用数值模拟方法,在给定某时刻装药燃面、喉径和正弦摆动方式下,对不同摆角和摆频下的发动机燃烧室压强变化规律及喷管摆动过程的响应规律进行数值分析。研究表明:固定摆动频率,改变摆动角度,燃烧室内平均压力都随时间小幅度上升,摆动角度为3°和7°时,平均压强增量较其它角度而言较为明显;固定摆动角度,随着摆动频率的增加,喷管摆动引起燃烧室内低频响应幅值在增加;由喷管摆动所引起的燃烧室压力振荡频率主要集中在100Hz以下的低频区。     

基于气化煤油喷注的RBCC燃烧室亚燃模态燃烧组织研究

针对RBCC发动机亚燃模态进行主动冷却的情况下,煤油发生气化后喷入燃烧室的燃烧组织开展研究。在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭高温射流作为引导火焰可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和稳定燃烧,当煤油喷注前加热到气化/超临界态时,燃烧室最高压力相比于室温液态煤油提高约10%左右。当关闭一次火箭后,利用凹腔成功实现火焰稳定,而使用室温液态煤油喷注时,凹腔内无法实现火焰稳定。通过数值模拟获得了不同喷注方案的燃烧室燃烧流场特征和燃烧组织过程,为进一步优化燃烧室的性能提供依据。结果分析表明通过合理布置燃料支板喷注位置,由燃料支板下游集中的燃料热释放使得气流在扩张燃烧室构型中实现"热力壅塞",通过燃料分配实现燃烧室内合理的燃烧释热分布,使RBCC发动机亚燃模态完成高效燃烧组织。     

厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的自激振荡特性,在大气环境下开展了厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验研究。无外加激励条件下,使用水作为工作介质,通过增加喷嘴长度的方法实现了敞口型离心喷嘴旋流腔液膜增厚和内流过程持续自激振荡。采用脉动压力传感器和高速相机记录了喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化的振荡特性。研究发现：喷嘴自激振荡过程中,旋流腔气涡周期性地"间断"和"贯通",气涡"间断"时喷注过程具有显著的Klystron效应;喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化过程的振荡频率接近且不同喷注压降条件下振荡频率基本保持在10~45 Hz之间,喷注压降对振荡过程的影响较小,喷前压力相对振荡峰值与其振荡频率显著相关;喷嘴的自激振荡过程可能由旋流腔内的液膜流动过程和气涡流动过程的耦合作用主导。     

煤油同轴喷嘴超临界燃烧与火焰特性实验研究

为研究煤油同轴离心喷嘴的超临界燃烧与火焰特性以及缩进比对燃烧及稳定性的影响,在煤油超临界条件下进行了不同缩进比喷嘴的燃烧实验,实验采用单喷嘴矩形燃烧室,空气和氧气混合物以气态从同轴喷嘴的中心喷嘴喷注,煤油以液态从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注,实验利用采样频率为36k Hz的彩色高速CCD相机成功观测到煤油超临界燃烧现象。煤油同轴离心喷嘴超临界燃烧火焰总体呈圆柱射流状;缩进比较大喷嘴的火焰图像中,喷嘴出口为半透明的"稠密"气状射流,未观测到明显的雾化破碎过程;喷嘴缩进比为1.62时火焰较窄且出现火焰团间歇性脱落情况;缩进比对燃烧和燃烧稳定性均有影响,存在相对最佳值使燃烧较稳定。     

燃烧室宽度对煤油旋转爆震波传播模态的影响—“爆震专刊”

为研究基于煤油的旋转爆震波的传播特性,以煤油和含氧量40%的富氧空气作为燃料和氧化剂,基于燃烧室外径均为100 mm的无内柱燃烧室和燃烧室宽度分别为32 mm、26 mm和20 mm的环形燃烧室开展了对比实验。不同氧化剂流量下,共观察到四种燃烧波模态,分别为爆燃模态、准稳定爆震模态、双波对撞模态和稳定旋转爆震模态。无内柱燃烧室中,氧化剂流量较低时无法维持旋转爆震波的稳定传播,出现爆燃模态和准稳定爆震模态;当氧化剂流量超过120 g/s时,可以得到旋转爆震模态,旋转爆震波峰值压力超过0.7 MPa,平均传播速度为1750 m/s。对于环形燃烧室,旋转爆震波的传播速度仅为1245~1465 m/s,明显低于无内柱燃烧室中的传播速度。随环形燃烧室宽度减小,对应旋转爆震波模态的工况范围更窄,传播速度更慢。在本研究对应的工况范围内,增大燃烧室宽度,更有利于基于煤油的旋转爆震波的稳定传播。     

燃气发生器燃烧室实验研究

燃气发生器可以有效解决低马赫数、低总温条件下液态煤油在超声速燃烧室中点火与稳定燃烧的困难。为给低马赫数条件下燃气发生器设计和强迫点火方式提供参考,在来流马赫数6、总温1650K条件下,开展了不同燃烧室结构、煤油的添加及分布、燃烧组织方式对点火和燃烧的影响实验研究。研究结果表明,随着出口喉道的减小,冷热工况燃烧室壁面压力增大,同时隔离段内受扰动最前点位置向上游移动。燃烧室出口面积与隔离段出口面积之比Q_S为0.50时,进气道在冷工况能够正常运行,热工况时煤油开始燃烧造成进气道喘振;Q_S为0.78和1.12时,进气道在冷热工况均可正常运行;Q_S为0.78,两个喷注位置组合下,煤油当量油气比达到11时能够成功点火并稳定燃烧,进气道正常启动,燃气发生器能够产生高温富油燃气。低驱动压、大喷孔的离心喷嘴喷注煤油更容易燃烧且燃烧效果更好。高富油条件下,以可添加煤油最大煤油量为分界,增加或减少煤油喷注量,可以作为小范围控制生成燃气温度的一种方式。