超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性，本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构，考虑气液双向耦合，采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程，采用大涡模拟计算气相流动。结果表明，该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合；初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大，初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。     

双燃烧室中煤油超燃试验研究

对双燃烧室中煤油超燃进行了试验研究。试验采用亚燃烧室产生的高温富油燃气在超燃烧室的超声速主气流中补燃的方案实现了煤油超燃过程,研究了在不同超声速主气流总温状态下高温室油燃气的当量比对超声速燃烧效率的影响,分析了超燃燃烧室中的总压恢复特性。     

超声速气流中横向煤油射流的数值模拟

为了对超声速气流中液体横向射流进行数值模拟,采用Eulerian Lagrangian方法描述气液两相流动现象,用随机轨道模型追踪液滴的运动历程,并考虑气流可压缩性、流场不均匀性及液滴变形对液滴运动的影响,开发了相应的计算程序。计算结果发现,液体射流与气流之间存在着强烈的相互作用,液滴在进入气流中不久就破碎成很小的子液滴,受煤油液雾的影响气流速度、温度急剧下降,同时在喷孔上游出现一道弓形激波。与液雾结构的纹影图像和液雾穿透的实验结果对比显示,数值计算结果基本合理。     

超声速气流与反向射流的混合

在不同的反向射流喷射角度条件下,对反向射流混合加热方案的混合效果进行了实验研究。采用空气和氢气燃烧混合物作为超声速载气流,常温下的空气作为反向射流。将混合前后流场的温度分布作为衡量载气流与反向射流混合效果的标志。实验结果表明:混合均匀度随混合距离的增加而提高;反向射流的喷射角度在40°角附近时混合均匀度最佳;增大反向射流初始压力可有效提高反向射流与载气流的流量比,从而提高混合效率。     

高温富油燃气作引导火焰的煤油超燃研究

对采用高温富油燃气作引导火焰的煤油超声速燃烧进行了研究。根据试验测得的壁面静压分布，采用一维简化模型处理与分析数据，得出了不同试验条件下的燃烧效率与总压恢复系数；对超声速燃烧室内的静压分布特点作出了分析；对超声速燃烧室人口处的气流总温，燃料喷射位置，以及燃烧总体当时比对燃烧室内静压分布、燃烧效率与总压恢复系数的影响进行了讨论。     

超声速模型燃烧室中气化煤油喷注研究

利用直接照相和纹影显示研究了不同预热温度的煤油喷注到静态大气和马赫数2．5的横向气流时射流结构。煤油加热系统可将0．8kg煤油加热到670K和5．5MPa压力。比较4MPa压力下290K～550K不同温度的煤油射流结构可以发现，550K煤油射流一旦流出立即完全气化，并且保持贯穿深度基本不变。结果表明：喷注汽化燃料有可能改善液体碳氢燃料超声速燃烧室的性能，因为至少省却了雾化和气化过程。     

等离子体射流作用下光壁面超声速燃烧室点火试验研究

针对光壁面超声速燃烧室的点火需求，利用中心嵌入式等离子体射流在模拟马赫数6，总温1860K的直连式试验台上实现了煤油燃料的可靠点火和稳定燃烧，研究了超声速燃烧室起动过程中等离子体建立与维持特征，获取了不同当量比下火焰传播与燃烧特性。试验表明：在自身工质的高压射流维持下，等离子体点火器可以在点火起动的不同压力变化环境中保持稳定；中心等离子体射流产生一定尺度的高温区域且含有丰富的自由基，但需要在恰当的中心喷油流量形成的混气当量比下产生等离子体诱导火焰；诱导火焰沿燃烧室轴向传播进而发展形成了稳定的超声速燃烧。     

超临界煤油超声速燃烧特性实验

针对各种温度、压力下，马赫数2．5流场中超临界煤油的超声速燃烧性能进行了实验研究。研制并测试了一个新型二级煤油加热系统，该系统能够把0．8kg的煤油在5．5MPa压力下加热至至950K而不产生严重的结碳。超声速燃烧试验表明，在相同的来流和燃料当量比条件下，超临界煤油的燃烧效率比室温煤油提高10％～15％，与氢气泡雾化的燃烧效率相当。     

煤油在超声速气流中非定常横向喷射的实验观察

本文目的是研究煤油在超声速气流中非定常横向喷射问题,并与静止和亚声速气流中的结果进行对比。改造普通油嘴并采用单次高压燃油喷射系统,得到不同延时的流场阴影照片。结果表明：在超声速气流中,射流柱破碎是由迎风面的表面波引起的,破碎点位于表面波的波谷。雾化过程过分四个区域。射流激波由近射流柱的迎风面,并在人壁反射,非定常喷射的波系演化复杂。煤油在亚声速气流中喷射,不存在射流激波,破碎点沿射流柱上移,穿透深     

煤油超声速燃烧的数值分析

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态超声速燃烧室内的超声速喷雾燃烧进行了数值模拟。采用离散液滴模型、概率密度函数紊流扩散燃烧模型和紊流k ω模型计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0 551时的情况。数值结果得到的壁面静压分布与实验数据基本一致;计算所得到的总压损失系数是0 696,非常接近实验测量值0 707,但计算得到的燃烧室燃烧效率远比实验值高。     

超声速气流中横向射流雾化实验和数值模拟

为了对超声速气流中的横向射流雾化过程进行研究,在直连式实验台上进行了超声速气流中的横向射流雾化实验,并对实验工况进行了数值模拟.超声速来流的马赫数为2,实验喷雾的动压比范围为1.～11.7,实验工质为水.采用纹影法对射流雾化过程进行了拍摄,得到了有雾化的超声速流场结构和穿透深度拟合公式.同时采用欧拉-拉格朗日两相流计算方法对实验工况进行了数值模拟,雾化模型采用了一种新型K-H(Kelvin-Helmholtz)和R-T(Rayleigh-Taylor)混合模型,数值模拟与实验结果符合较好.      

超声速反向混合实验及其压力温度测量

对超声速反向射流混合加热方案进行实验验证。实验结果表明：控制向燃烧室注入水雾的流量可以方便地调节燃烧室的温度和压力；用双路氢氧进气系统易于实现稳定的点火和燃烧。用热电偶测量混合前后的流场温度分布的初步结果表明，反向射流混合方案基本可行。     

基于PLIF/Mie图像测量煤油超雾化场数值特性

为获得航空煤油在超声速气流中喷射雾化后粒径二维分布信息,设计了基于PLIF/Mie双光谱成像法的测量系统。在PLIF/Mie煤油超雾化粒径测量方法基础上,实现了SMD计算公式系数的标定和煤油超声速射流破碎和雾化的SMD二维在线测量,取得射流雾化场SMD径向分布、穿透深度、展向输运宽度等关键参数。结果表明:射流分两个阶段,前期突变阶段和稳定阶段,在初始射流压强为1.0MPa,来流初始压强为0.5MPa,喷孔直径1mm,喷射角度为90°的工况下,稳定阶段煤油喷雾SMD稳定在10μm左右,射流径向SMD由内向外由小变大,整体展向宽度范围比穿透深度稍大,在各截面位置变化趋势一致。     

液体煤油超声速燃烧数值分析的湍流模型

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态燃烧室内的喷雾燃烧进行了数值模拟。采用k-ε三种形式、k-ω两种形式和雷诺应力湍流模型,计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0.551时的情况。通过将数值模拟结果与实验数据进行对比,证明这些湍流模型都可用于煤油超声速燃烧的数值计算。并且,k-εRNG模型和k-ωSST模型的计算结果与实验数据最为接近,可以认为这两个模型在模拟煤油超声速燃烧流场中是非常有效的;而雷诺应力模型效果较差。     

煤油-空气预混气流超声速燃烧数值研究

对以高温燃气作为引导火焰的煤油 空气预混气流超声速燃烧进行了数值模拟,系统研究了预混气流的温度、压力、当量比,以及预混气流与高温燃气的压力匹配关系等多种重要因素对超声速燃烧的影响。结果表明:随着预混气流静温、静压的升高,着火点诱导的压缩波增强,最高燃烧温度升高,火焰传播角相应增大;预混气流的当量比为化学恰当比时,燃烧温度最高;与静压匹配的情况相比,静压不匹配情况下的火焰传播角增大,当预混气流的静压高于高温燃气的静压时,着火点前移,反之,着火点则后移;此外,在多种情况下,燃烧室下壁面边界层都出现了自燃现象。     

性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响，对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供，总温为1231K，入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室，全局当量比恒定为0.8，采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ω SST模型来模拟湍流；离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程；部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用；煤油采用正癸烷(C10H22)作为替代燃料，其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好，表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析，可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区，上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘，下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3，上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构，下游反应区则逐渐缩小；预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动，进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流，而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流；燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%，燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N；然而，燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

稳定器对油雾射流穿透深度与最大浓度线的影响

稳定器水平安放时油雾射流的穿透深度与最大浓度线 二元试验段、连续取样的燃气分析系统及实验方法的详细说明见文献[2、3]。 稳定器与油雾射流的相对位置如图1所示。在试验段中安装了火焰稳定器之后,使流场发生了改变,火焰稳定器既改变了气流的方向,又改变了气流速度的大小,而且在稳定器截面不同点处气流速度的方向与大小又各不相同,因此对油雾射流的穿透深度和最大浓度线必然产生影响。      

微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧

为了研究微波增强滑移电弧等离子体对超声速燃烧火焰结构的影响，在超燃冲压发动机直连式实验台发动机模型加装了微波和滑移电弧结构，进行了超声速稳定燃烧实验。以单级凹腔作为火焰稳定器，燃烧室来流马赫数为2.5，常温乙烯从壁面横向射流，燃料射流点之前放置滑移电弧电极，凹腔对侧馈入2.45 GHz的微波。研究表明，在超燃冲压发动机燃烧室内滑移电弧同样遵循放电和扩展的周期特性，由于气流流速极高，滑移电弧周期约达125 kHz。等离子体的加入使燃烧室预燃激波串前移，火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向燃料射流前部转移，超声速火焰燃烧速率提高。与单一的微波或滑移电弧等离子体增强燃烧方法相比，微波与滑移电弧的结合可在较低的能耗下，实现与高功率微波等效的效果。微波增强滑移电弧等离子体能够对超声速燃烧起到稳定作用。     

超声速燃烧室中支杆位置对煤油燃烧的影响

使用支杆喷注煤油,可以通过喷孔使煤油获得初步的雾化而有利于煤油与气流的混合,从而更快地达到点火条件。为研究支杆在燃烧室中的位置对煤油掺混及燃烧性能的影响,在燃烧室入口马赫数2和3条件下,开展了支杆位于第一位置(燃烧室前部)和第二位置(燃烧室中部)时对煤油燃烧影响的数值模拟及试验。根据试验获得的壁面压力及数值模拟结果,得到以下结论:(1)支杆位置越接近氢气燃烧区,喷出的煤油可以更多、更快地进入该区域进行能量交换,减少煤油点火延迟时间。(2)支杆位于第二位置,支杆前后的近壁面低速区与氢气燃烧区前的回流区连成一片,增加燃料驻留时间,增强混合,有利于火焰向上游传播。(3)在煤油能够点火燃烧的前提下,支杆位于第二位置,煤油与氢气燃烧区域的高度超过燃烧室高度的一半,导致该区域流通面积减小,超声速气流减速,升温,促使煤油燃烧强度更高。     

强化紊流脉动对气动喷嘴喷雾浓度场及燃烧温度场的影响

主要研究气动喷嘴出口气流紊流脉动对喷雾浓度场及燃烧状态温度场的影响。在实验中采取措施加强气动喷嘴出口气流的脉动强度，以便进行比较；并利用ＰＤＡ（粒子动态分析仪），热电偶等测试手段对试件出口冷态雾场及热态温度场进行测量。结果表明，强化气流的紊流脉动促进了喷雾浓度均匀分布，有利于燃烧温度均匀分布及提高燃烧效率。