基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性的实验

实验研究了常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性.结果表明:不稳定燃烧时,火焰结构发生显著变化,呈现大尺度运动的特点.燃烧室所发生的燃烧不稳定性是纵向自激式振荡,是燃烧室与预混段之间的耦合,振荡频率由整个系统决定.随着当量比的提高,燃烧经历了由稳定到不稳定,并达到有限循环脉动的过程.流动脉动和火焰的相互作用,是激发和维持振荡的主要原因,需要深入研究不稳定燃烧性产生和得以维持的机理.      

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。     

超燃冲压发动机燃烧室冷态流场研究

利用西北工业大学电阻加热超声速燃烧室直连式实验设备,针对自行设计的超声速燃烧室模型,在燃烧室入口马赫数Ma=2.0、入口流量m=0.73～1.0kg/s、入口总压p_t≈(7～8)×105Pa、入口总温T_t为室温条件下,开展了不同燃烧室进口流量、隔离段长高比以及燃烧室出口堵塞比情况下的燃烧室冷流实验;采用CFD商用软件对燃烧室冷流流场进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了对比和分析.研究结果表明,增加隔离段的长高比,可以提高燃烧室抗反压的能力,燃烧室出口压力场的畸变对燃烧室内部流场有较大的影响,同时通过计算结果与实验数据的对比验证了计算方法的适用性.      

Large-eddy simulation and linear acoustic modeling of entropy mode oscillations in a model combustor with coolant injection

Lean-burn combustor is particularly susceptible to combustion instability and the unsteady heat release is usually considered as the excitation of the self-maintained thermo-acoustic oscillations. The transverse coolant injection is widely used to reduce the temperature of burnt gas, but on the other hand, it will introduce temperature fluctuation inside the combustor. Therefore, it is necessary to consider the influence of the coolant injection on combustion instability, and evaluate its dynamic feature. In this paper, Large-Eddy Simulation (LES) of the self-excited pressure oscillations in a model combustor with coolant injection is carried out. The analysis of transient flow characteristics and the identification of the pressure modes confirm that one of the low frequency pressure oscillations is related to entropy fluctuations, which is known as rumble combustion instability. The LES results show that transient coolant injection is another excitation of temperature fluctuation other than unsteady combustion. The amplitude of the entropy mode oscillation increases with increasing coolant air mass whereas the change of its frequency is insignificant. According to the major feature of entropy wave oscillation caused by coolant injection, a compact coolant injection model is proposed and applied in the One Dimensional (1D) Acoustic Network Method (ANM). Key correlations used in the model match well with LES data in low frequency range. This means that the coolant injection model is a complex one reflecting the interaction of the fluctuating coolant mass, pressure and temperature. Finally, the combustion instability frequencies and modes predicted by acoustic network method are also in good agreement with LES results.     

基于冷态数值模拟的航空发动机燃烧室贫油熄火预测

在经典均匀搅拌反应器理论(Perfect Stirred Reactor)的基础上,对Lefebvre贫熄模型中的燃烧体积和燃烧空气量进行改进,建立起燃烧室冷态流场与热态贫熄性能的对应关系,进而达到从冷态流场预测热态贫熄性能的目的。采用商业软件Fluent对燃烧室的冷态速度场和燃料浓度场进行数值模拟,通过燃料的可燃边界定义出理论的可燃区体积(Vf)和进入可燃区的回流空气量(mr)两项关键参数组成燃烧负荷参数Vf.mr,并通过油量迭代逼近(Fuel Iterative Approximation)的方法达到对燃烧室贫熄边界的预测。通过与实验结果的对比表明:燃烧室的冷态流场与其热态贫熄性能是相互关联的,燃烧负荷参数与熄火油气比近似成线性关系;采用油量迭代逼近的方法对燃烧室的贫熄边界进行预测,预测精度控制在±8.4%。     

亚燃冲压模型燃烧室高空负压试验

为了验证亚燃冲压燃烧室在高空负压条件下稳定工作的能力,设计了带蒸发式值班火焰稳定器与直射式喷油装置的亚燃冲压模型燃烧室,对该模型燃烧室进行了冷态流阻试验、贫油熄火边界试验以及不同截面燃烧效率试验研究。研究结果表明,试验件的冷态流阻系数略大于1,冷态总压恢复系数0.98以上;蒸发式火焰稳定器贫油熄火边界较宽;两截面燃烧效率最低相差6%,最高相差19%,在高空负压条件下,增加燃烧段长度能显著提高燃烧效率。     

掺混压力损失的实验分析

一、试验装置和基本关系式 试验装置的进排气系统均由三根并列管道组成。第Ⅰ、Ⅲ管道作为外流,第Ⅱ管道作为主流,在试验段前6m处装加温器,加温后的气体温度最高可达600℃。试验件为三股通道的矩形件,其尺寸为800×256×240mm,主流通道高为140mm,外流通道高为50mm。试验孔板将主流通道与外流通道隔开。外流通道中气流经小孔射入主流,与主流掺混,引起主流掺混压力损失(图1)。     

燃烧室长度对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,通过分别改变燃烧室等直段长度和扩张段长度,对不同总长的燃烧室工作过程进行数值模拟.采用基于压力的2阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(finite-rate/eddy-dissipation),湍流模型采用SST(shear stress transport) k-ω模型.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分别分析了不同长度,即不同等直段长度或扩张段长度下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化.结果表明:随着等直段长度的增大,燃烧室出口处燃烧效率逐渐减小,从72.74%降低至66.81%,而燃烧室内总压损失逐渐减小,燃烧室推力逐渐增大,可由85.83N增加至108.55N;改变扩张段长度,发现扩长段长度变化对燃烧室流场结构的影响较小,随着扩张段长度的增大,燃烧室出口燃烧效率和燃烧室推力都略微减小.在燃烧室长度的设计范围内,增大等直段的长度要比增大扩张段长度对提升燃烧室各项性能有帮助.      

Experimental research on rotating detonation with liquid hypergolic propellants

This paper describes experimental research into the initiation and propagation of rotating detonation for liquid Nitrogen TetrOxide (NTO) and liquid MonoMethylHydrazine (MMH). An annular rocket-type combustor without nozzle was designed to investigate detonation combustion. The propellants were injected through unlike impingement injectors. The combustion flame fronts and pressure waves were detected using optical diagnostics and dynamic pressure sensors, respectively. The propagation of rotating detonation was established spontaneously by increasing the mass flow rate of propellants. The velocity of propagation of the flame fronts and pressure waves was nearly equal and reaches supersonic speed. Two different detonation combustion patterns are present, single wave mode and double waves mode. And in double waves mode, the two detonation waves are always counter-rotating. The possibility of rotating detonation initiation in a combustor with nozzle was also checked. Stable rotating detonation can be initialized and sustained at similar operating conditions.     

圆盘旋转爆震燃烧室中爆震波传播模态

本文的目的在于通过求解14组分19步CH4/O2反应的欧拉方程去研究燃料喷射温度、压力、燃烧室内外直径比值和燃烧室径向长度对圆盘结构下旋转爆震传播模态的影响。研究表明,只有预混气喷射温度范围为500-900K,喷射压力范围为0.5-3.5MPa的条件下能够在固定燃烧室内形成连续的旋转爆震波。受燃烧室结构影响,旋转爆震波的传播模态分为稳定模态和非稳定模态。整个非稳定传播模态根据爆震波对前周期的干涉又可以分为干涉阶段和不干涉阶段。在不干涉阶段,爆震波传播速度略高于Chapman-Jouguet (CJ)速度;在干涉阶段,爆震波传播速度低于CJ速度且爆震波被间断面分割成两部分。非稳定模态爆震波传播速度小于稳定模态,而爆震波夹角、燃烧室出口面积比则反之。     

考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明：起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。     

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室,开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统,隔离段进口马赫数保持2.0不变,总压为1.05 MPa,来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力,并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时,燃烧室壁面峰值压力位置相同,同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系;来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升;在燃烧室当量油气比不变的条件下,来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降,隔离段内激波串长度缩短。      

高总温空气与汽油燃料的旋转爆震验证试验

为验证高总温空气来流条件下汽油燃料旋转爆震的可行性,开展了气液两相旋转爆震发动机试验研究。旋转爆震发动机环形燃烧室外径和内径分别为202mm和166mm,长度为155mm。通过空气加热器模拟高总温空气来流环境,汽油和空气采用分开喷注的方式,分别通过高压喷嘴和环缝进入燃烧室。试验采用垂直安装的预爆震管成功起爆了旋转爆震波,并实现了旋转爆震波的连续稳定传播。试验结果表明：当空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.97,空气总温为713K时,旋转爆震波以双波对撞模态在燃烧室内连续传播,爆震波传播频率为1827.31Hz,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频一致,爆震波传播速度为1059.6m/s。在空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.84,空气总温为713K的工况下进行了3s的长程试验,验证了以高总温空气为氧化剂、汽油为燃料的旋转爆震发动机长时间连续稳定工作的可行性,获得的旋转爆震波传播频率为1907.5Hz。     

超燃冲压发动机内外流场三维燃烧数值模拟

以某型煤油燃料超燃冲压发动机整机模型为研究对象,对发动机外流场的流动与发动机内的流动燃烧过程开展了耦合三维数值模拟研究.燃烧室壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,平均相对误差为4.9%,验证了数值方法的有效性.结果表明:内流场的流动燃烧状况既受到外流场捕获空气流量的限制,又会反过来影响着外流场的激波结构;泄压孔对保持发动机中各部件流量匹配起到关键作用;由于进气道内激波与边界层的相互作用以及泄压孔诱发的斜激波的影响,流场在第1处燃油喷射孔附近呈现出燃烧流场不对称特征.      

旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度; 旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。     

连续旋转爆轰燃烧室的性能

利用二维可压缩欧拉方程数值研究了当量氢气/空气在连续旋转爆轰燃烧室(CRDC)中的流场情况,主要考查了不同CRDC周向尺寸下燃料入流总压对增压比、燃烧效率、容积热负荷及其NOx排放等性能的影响.结果表明:当CRDC周向尺寸为150mm时,随着燃料入流总压的提高,增压比基本保持不变,燃烧效率和容积热负荷均呈线性增长;当CRDC周向尺寸为250mm时,随燃料入流总压的提高,爆轰波头数加倍,容积热负荷仍呈线性增长,但是增压比及燃烧效率均出现转折性下降.与传统的等压燃烧室相比,CRDC具有更高的性能.当计算域为250mm×40mm时,增压比高达2.706,大大提高了燃气的做功能力;容积热负荷达到2.18×1010W/m3;而NOx排放质量浓度为0.692mg/m3,保证了低排放的要求.      

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。     

当量比对连续旋转爆轰燃烧室特性的影响

为了探究当量比对甲烷-空气连续旋转爆轰燃烧室（CRDC）特性的影响,利用二维可压缩欧拉方程对CRDC进行了数值研究,分析了爆轰波的发展过程和贫燃熄火过程,对比了不同工况下CRDC特性参数的变化情况。结果表明:CRDC起爆后燃烧场在由不稳定状态到相对稳定状态的过程中发生了2次碰撞,当进气当量比较低时,CRDC未能完全发生2次碰撞过程就已经熄爆。随着进气当量比的降低,爆轰波传播速度、轴向平均速度、出口平均温度、出口平均总压均呈下降趋势;增压比随当量比降低而减小的根本原因在于旋转爆轰燃烧过程和等压燃烧过程的熵增差减小,使吉布斯自由能增量差减小。CRDC的燃料驻留时间处于亚毫秒量级,燃烧热效率保持在99%以上。