高温磁流体动力技术实验系统设计与调试

为了开展高温磁流体功率提取、磁流体加速、磁流体流动控制等磁流体动力技术实验,研制了基于高温燃气发生器的磁流体动力技术实验系统。介绍了高温磁流体动力技术实验系统的基本组成,设计思想及运行情况。燃气发生器采用航空煤油和气氧燃烧,产生最高温度可达3256K的高温燃气,通过添加辅助电离种子K2CO3,可以得到电导率为11.6S/m的导电流体;高温燃气经喷管的加速,在出口得到马赫数1.5的超声速导电流体;实验系统调试实现了15s以上稳定运行,表明具备了开展较长时间高温磁流体动力实验的能力。     

磁流体发电高温燃气的产生与控制研究

为探索磁流体发电技术在高超声速飞行器上的应用,研制了基于燃气发生器的高温燃气实验系统。介绍了燃烧工质的选取、工况的选择以及实验系统的调试机理、运行情况。结果表明,采用航空煤油做燃料,气氧做氧化剂,混合比为1.2~12的条件下满足温度大于2600K的要求;煤油流量作为基准值,通过调节氧气路孔板流量计前压力能很好地调节燃气发生器的温度;通过调试确定了系统运行的时序,并进行了燃烧温度为3278.5K的点火实验。电导率的测试实验表明,在燃气温度2750K的情况下,燃气电导率的平均值达到10S/m,峰值15S/m,满足磁流体发电的技术要求。     

燃气分析测量高温燃气温度的方法

叙述了两种根据燃气成分推算高温燃气温度的计算方法——效率/余气系数法和焓值守恒法。效率/余气系数法根据燃气分析得到的余气系数和燃烧效率计算燃气温度,按燃烧效率和余气系数计算方法的不同又划分为补燃法和全成分法;焓值守恒法根据燃气成分和焓值计算燃气温度。分析和比较了两种计算方法,这些方法已应用到燃烧室出口高温燃气温度测量中。      

低速高温燃气流热模拟试验方法和设备

对比分析了两种气流状态参数和两种加热情况下典型前缘部件表面热流密度的相似性,论证了利用亚声速高温燃气流加热方式进行近地空间高超声速飞行工况气动热模拟试验的可行性.针对高超声速飞行器典型钝头锥结构提出“小喷口低速高温燃气流+石英灯”组合热试验方案.通过采用新型高效双腔蒸发管型燃气发生器、新型带保温夹层和耐高温陶瓷内衬的水冷不锈钢高温管道结构,同时引入电加热器预热及燃烧室两路供油方案,使所建低速高温燃气流热试验设备产生燃气流温度达到2100K,φ250mm喷口处平均径向温度分布梯度约3K/mm,具有线性温度控制功能且稳态控制温差约46K,满足24km、马赫数为6典型高超声速飞行器工况驻点区域高温/大热流密度气动热试验要求.      

航空用燃气发生器和高温放气阀的设计原则及试验

分析了燃气发生器和高温放气阀的作用及必要性,阐述了两者的设计思路,提出了有关的设计原则,并根据该原则设计研制出了满足技术指标的燃气发生器和高温放气阀.对两者进行一系列试验,验证了设计原则的正确性.结果表明:燃气发生器在最小空气流量为0.025kg/s,最高燃气工作温度为950℃,燃气温度波动范围为±10℃,实现稳定工作;高温放气阀在1200℃时能实现不漏气、灵活可靠的工作.上述技术指标均高于我国目前地面上使用的、车用的同类试验设备.利用该两项试验设备,可准确、完整地得到涡轮增压器特性,为实现航空活塞发动机的优良高空性能提供了依据.      

带内翅片园管流动阻力的实验研究

介绍了空气和高温燃气在带内翅片园管内流动时, 流动阻力实验的研究结果。全部实验数据整理成ξ=f(Re)的准则方程, 除两个实验状态的偏差为±10.2%外, 其它的实验点, 按我们所综合的阻力公式的计算值与实测值之间的偏差大都小于5%.      

高温燃气流风洞非稳态运行过程实验和数值模拟研究

针对热考核用高温燃气流风洞运行过程中的非稳态过程开展研究，采用风洞实验与数值计算相结合的方法研究了风洞整体起动、扩压器背压抬升、关机三种过程中喷管、实验舱和扩压器内瞬态流动特性。实验结果揭示了燃气风洞诸多有趣的瞬态现象，且披露了一手实验数据。而通过数值计算能较好地复现上述瞬态现象；借助数值计算能合理地解释试验现象产生的原因；还能捕捉实验中无法观测到的现象；此外还评估了该风洞扩压器的抗反压裕度在10kPa以上。因此，数值方法是研究大型燃气风洞瞬态流动特性最重要的辅助手段。该研究可为类似风洞运行调试提供借鉴，并为风洞实际运行提供数据支撑。     

火箭发动机尾焰流场注水降温效果初探

为了对超声速高温燃气射流的注水降温机理进行探索,对该类流场进行了数值模拟和实验研究。气-液两相流场采用Mixture多相流模型进行计算,液态水的汽化过程通过耦合水的汽化方程来模拟。实验现象采用高速摄影和红外热像仪进行拍摄,并且在冲击平板上布置了热电偶温度测点。通过对仿真计算得到的温度云图与实验结果进行比较发现,无论是流场形态还是温度场分布,两者都十分吻合,证明了计算模型的适用性。结果表明:液态水和燃气的掺混汽化吸热效果显著,高温区域由于注水影响缩小到一个类锥形区域;迎气面温度大大降低,热冲击烧蚀效应得到有效缓解,尤其是中心部位降温效果最为明显,注水后温度仅为原温度值的60%左右。     

TBCC内涵流动模拟试验模型设计及研究

涡轮基组合循环发动机因其性能优越性,已引起世界各研究机构的广泛关注.为了模拟TBCC的试验条件,提供符合核心机条件的高温燃气是必要手段.本文设计了一个结构简单易于控制的TBCC核心射流试验模拟模型,并对此模型进行了实验研究.结果表明,所设计模型点火工作可靠,燃烧效率高,可以产生0.236～0.342kg/s的750 ～ 1050K的高温燃气,模型出口马赫数、温度和氧气的体积分数分布均匀,可以满足TBCC超级燃烧室试验进口条件要求.     

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。     

燃气分析法在高温升全环燃烧室 出口温度场试验中的应用

为了给某型高温升全环燃烧室的出口温度分布改进优化提供技术支持,采用燃气分析法和热电偶法2种测量方法测量出口温度场。燃气分析法通过2支5点非混合式取样器随旋转机构旋转1 80°,采集燃烧室出口600点样气,测量CO_2和CO_2种组分的体积分数进而计算燃气温度。在油气比0.03状态下,燃气分析法与热电偶法测量的燃烧室出口温度分布基本一致,在油气比0.037状态下,燃气分析法测到的热点温度达到2285 K,经误差分析得出CO_2和燃料热值的测量偏差对燃气分析法的温度测量影响较大,采用的燃气分析法测温系统总误差在1%以内。研究结果表明:燃气分析法是1种具有较高测试精度、可靠的高温测试技术。     

氦气谐振点火器和气氧/煤油火炬点火器研究

为了实现液体推进剂火箭发动机重复多次可靠启动，研究了利用气动谐振热效应形成的高温高能点火源进行气氧／煤油等可贮存推进剂多次点火的方案。为此研制了氦气谐振点火器和气氧／煤油火炬点火器。氦气点火器在较宽的气源温度(-2℃～33℃)变化范围、较大喷嘴入口压力(1．5MPa～3．OMPa)变化范围内均具有好的谐振加热性能。气氧／煤油火炬点火器能够多次可靠地点火并生成稳定的点火火炬。由于不受谐振产生条件的限制，气氧和煤油的流量可以在较大的范围内选择，生成点火火炬的温度范围也很宽，富燃点火炬更具工程应用价值。研究结果表明氦气谐振点火器及其气氧／煤油火炬点火器具有结构简单，可靠性高，无毒无污染等优点，对于重复多次启动的液体火箭发动机有着诱人的应用前景。     

燃气分析法测量航空发动机五头部燃烧室温度场

介绍了航空发动机燃烧室温度场测量所用的燃气取样器和燃气分析系统,并对系统简化所引起的误差进行了分析.阐述了“点”燃烧温度的计算方法以及利用“点”燃烧效率、油气比和燃烧温度计算总平均值的方法.数据显示利用热电偶测量温度获得的燃烧效率比燃气分析法燃烧效率约低4%,在燃气温度约为1500℃时,热电偶测得的燃气平均温度比燃气分析法平均温度低55℃左右,同时表明燃气分析方法在测量航空发动机燃烧室温度场具有可测温度高、影响因素少、数据准确的优势.      

大压力高精度谐振筒传感器设计

介绍用于测量高低温环境下高压气体绝对压力的传感器的设计,传感器采用谐振筒式敏感元件和数字量输出方式.量程满足0.02～4.0MPa,精度优于±0.05%FS,可在-55～150℃的较宽温度范围内可靠工作.该传感器可用于飞机发动机的电调系统,测量发动机不同位置的压力.文中主要论述了谐振筒的设计方法,确定了宽温大压力高精度...     

基于成分的燃烧室出口燃气温度计算方法

针对燃烧室不同温度下燃气组成的不同,提出建立不同燃气模型以推算燃气温度的两种计算方法。基于物质守恒、化学平衡和能量守恒原理建立温度计算方程,根据能量守恒方程的不同表达形式给出平均比定压热容法和焓值法,同时给出两种求解非线性方程组的数学解法:三变量迭代法和牛顿法,并采用VB(Visual Basic)编制燃气分析测试程序实现温度算法。列举计算实例比较两种算法的区别,结果显示:随着油气比的增加,两种计算方法得到的燃气温度相差越大,考虑热离解的高温算法结果更小,原因在于燃气中离解组分的摩尔分数随着温度升高而增加,燃烧实际放热量减小,导致燃气温度减小,所以当燃气温度较高时建议采用高温算法更符合实际燃烧情况。      

限制域、预混气初始温度对多孔介质表面火焰熄火特性的影响

为了对基于多孔介质表面火焰的微型燃烧室技术进行优化设计,以甲烷/空气预混气为研究对象,针对不同的限制域、预混气初始温度,开展了多孔介质表面火焰熄火特性实验研究.实验结果表明:在石英玻璃限制域下,多孔介质表面火焰可以维持在0.188~0.436m/s的低预混气速度下,速度升高容易发生推举和吹熄;而限制域的长度未产生影响作用;随着预混气初始温度从293K升高至550K,多孔介质表面火焰的熄火速度极限得以提高.当量比为1.0时,预混气熄火速度从293K的1.176m/s增加至550K的2.678m/s,并存在不同斜率的上升过程,而初始温度对熄火本质没有影响.     

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3 600 K,主流空气流量为220~1 490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。      

尾喷流吸入对发动机进气畸变的影响

为了研究折返的尾喷流吸入对发动机进口流场畸变的影响特点,开展了发动机不同状态下的尾喷流吸入地面试验,基于测取的发动机进口温度、压力流场数据,分析了发动机进口流场温度、压力畸变特征和影响进气温度畸变强度的因素。结果表明:折返的发动机高温尾喷流吸入会在发动机进口形成明显的温度畸变,此时的发动机进口流场具有温度、压力组合畸变特征;高温尾喷流的吸入会影响发动机进口总压分布,使低压区压力有所升高,总压不均匀性降低;发动机工作状态越高、加力状态保持时间越长,发动机进口形成的温度畸变强度峰值越大;发动机进口温度场的改变滞后于油门杆的动作,是一个动态变化的流场,但尾喷流吸入造成的温升率较小。      

双毛细管法高温气态环己烷黏度测量研究

为了探索双毛细管法在碳氢燃料高温气态黏度测量中的应用,本文采用双毛细管法测量了亚临界压力下环己烷的高温气态黏度。测量温度范围：301.9 K-567.1 K（间隔约10K）;压力范围：0.5MPa-4.0MPa（间隔1.0 MPa）。考虑螺旋管圈的二次流效应,使用基于雷诺数（Re）或迪恩数（De）的函数关系式对黏度测量结果进行离心修正。在测量参数条件下,气态环己烷的雷诺数Re ≤ 1984.5。研究表明：双毛细管法测量环己烷液态和气态黏度时,螺旋管圈的二次流效应具有显著差别;液态环己烷的离心修正系数小于 4.32%,气态环己烷的离心修正系数最高达到 49%;离心力二次流效应是影响环己烷气态黏度测量精度的最重要因素;离心修正关系式的准确度对环己烷气态黏度测量结果的不确定度产生显著影响。     

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。