乙烯超声速燃烧室悬臂斜坡喷注器射流数值分析

超声速燃烧室中燃料的掺混强化问题越来越受到各国的重视,为了研究超声速燃烧室中悬臂斜坡低动压喷射的流动特性,通过数值模拟方法研究悬臂斜坡喷注器对乙烯射流的作用规律,对比分析有无悬臂、有无后掠以及不同悬臂构型对流场的影响.结果表明:相对于传统斜坡结构,悬臂斜坡结构可使流场远场掺混效果得到明显改善,穿透深度增加;后掠结构能有效增强流场流向涡,从而达到掺混增强的效果,但同时带来更大的总压损失;三角悬臂斜坡结构相比于后掠悬臂斜坡结构对流向涡增强效果不明显,掺混效果弱于后掠悬臂斜坡结构,但总压损失较小;两种后掠悬臂斜坡结构的流场特性差异不明显.     

速度比与进口预旋耦合作用下波瓣混合器射流掺混机理分析

为了掌握速度比和进口预旋耦合作用下波瓣下游射流掺混机理的变化规律，对4种不同进口预旋角下3种不同速度比 工况进行了全3维数值模拟。结果表明：随着进口预旋角从0°增大到30°时，内外气流之间的掺混有所增强。小速度比工况和大速度比工况下总压损失系数分别增大了0.1和0.05，推力损失分别为4.6%和17.5%，因此应当综合考虑促进掺混和由此导致的总压损失和推力损失增大的效应。随着速度比的增大，流向涡强度逐渐增大，外涵流体对波瓣下游涡系发展的限制作用逐渐减弱，流向涡逐渐沿径向向外发展，更大范围的气体被卷吸参与了掺混；速度比和进口预旋的耦合作用有利于流向涡提前形成，并在波谷和中心锥之间引起泄漏旋流，加速了涡系破碎和耗散的速度；同时，速度比的增大，扩大了泄漏旋流径向范围，加强泄漏旋流同向的流向涡，有利于进一步加速射流掺混，但也使涡系间的相互作用更强烈，导致射流总压损失和推力损失增大。     

菱形孔射流在超声速流场中的气动特性

针对带有横向射流的三维超声速流场进行数值模拟,分析了菱形结构喷孔与普通圆孔的差异,并探讨了不同喷射角度下菱形喷孔对流场的影响.研究结果表明:与普通圆孔相比,采用菱形孔射流能够减弱弓形激波的强度、降低总压损失,增加燃料的穿透高度,但是在展向方面两者对于燃料的扩散能力基本相同;随着喷射角度的增加,燃料的穿透高度表现出先增加后降低的趋势,在计算的3种模型中,喷射角为60°表现出更好的特性;喷射角度在一定范围内变化时,总压损失的改变不明显,但是过大的喷射角度会导致总压损失迅速增加.通过研究进一步认识了菱形孔射流的流场特性,为优化喷射装置提供依据.      

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.      

喷射角对超声速燃烧室掺混和燃烧的影响

针对壁面喷射方式,分别在冷态喷流和燃烧工况下探讨了喷射角的变化对超声速流场中的燃料掺混效果及燃烧效率的影响。研究表明:采用带角度喷射能明显减弱壁面垂直喷射导致的强激波,减小激波/边界层干扰带来的总压损失,在燃料掺混特性方面,减小喷射角会降低近场穿透距离,减弱近场的掺混效果,而对中场的穿透深度及掺混效果影响不大,但带角度喷射的远场的穿透深度及掺混不如垂直喷射。所以垂直喷射时,虽然更多的燃料和空气发生掺混,燃烧效率要高于带角度喷射的,但会以牺牲很大的总压为代价,所以在工程中建议采用带角度喷射配合其他喷射方式。     

可压流条件下凹腔驻涡流动试验

针对几何因素和气动因素对凹腔驻涡流动的影响进行了研究.试验研究了改变凹腔的高长比、射流孔位置和主流进气角度等对凹腔驻涡流动的影响,研究了改变主次流进口流速等气动因素对凹腔流动的影响.总压损失采用总压探针测量,速度场采用粒子图像测速仪(PIV)测量.试验结果表明:①两股射流在中部和底部喷射时均能产生大尺度涡结构,在中部喷射时产生一对旋向相反的涡对,在底部喷射时产生单涡.②在中部喷射情况下,增加主流马赫数和主流进气角度,凹腔上部空间的涡度增强.③主流进口马赫数增加,试验件的总压损失显著增加.      

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.      

高负荷压气机叶栅分离结构及其等离子体流动控制

 为揭示高负荷压气机叶栅内部流动损失的产生机理和分布规律以及等离子体气动激励的作用机制,利用拓扑分析和数值计算方法,从计算模型的建立与验证、基准流场的分离结构和等离子体流动控制3个方面展开研究;对总压损失系数分布、拓扑结构和表面流谱与空间流线分布以及旋涡结构进行分析,并开展了激励方式的优化分析.结果表明:随着攻角的增大,固壁面拓扑结构增加了3对奇点,吸力面流向激励改变了固壁面拓扑结构.当攻角为2°时,在吸力面拓扑结构中产生了一对奇点,打断了角区分离线,并引入了一条回流再附线.叶栅流道内部有5个主要涡系,尾缘径向对涡促进流体的展向流动,并成为吸力面倒流的主要组成部分;角涡是一个独立的涡系,其强度和尺度不受等离子体气动激励的影响.吸力面流向激励可以改善叶中流场,但对角区流动作用很小;端壁横向激励可以降低角区流动损失,对叶中流场作用有限;吸力面流向与端壁横向组合激励在整个叶高范围内均可以显著抑制流动分离;端壁横向流动对角区流动分离结构的影响大于吸力面附面层的分离.吸力面流向激励的优化明显降低,而端壁横向激励和组合激励的优化保持并增强了等离子体流动的控制效果.     

波瓣混合器流场试验

为了获得加力燃烧室波瓣混合器内的三维流场,采用带热电偶的五孔探针对波瓣混合器内的流场进行了测量.通过试验,得到了波瓣混合器出口不同截面的速度场和温度场,以及波瓣混合器沿流向的热混合效率、总压恢复系数变化规律.试验结果表明:在波瓣混合器尾缘处会产生一对相互逆转的流向涡,流向涡的产生加强了内、外涵气流的对流混合;越靠近波瓣混合器尾缘,内、外涵掺混能力越强,热混合效率增加速度越快,总压恢复系数下降也越快.     

超音速空气流中气动斜坡喷嘴喷射氦的实验研究

介绍一种新式矩阵喷嘴的实验结果。设计这种喷嘴的目的是为在超音速空气流中, 由壁面喷射氦而产生旋涡相互作用以达到强化掺混。在2种喷射压力下Ma=1的氦气喷入Ma=3的空气主流中, 实验数据包括氦浓度和总压损失。发现矩阵喷嘴在431kPa下喷射氦其掺混率优于顺喷单孔喷嘴（喷射角为15°和30°）, 在轴线处矩阵喷嘴的总压损失也低于单孔喷嘴。      

分开式排气系统气动性能与喷流特性数值研究

为分析大涵道比涡扇发动机分开式排气系统的气动性能、喷流特性以及挂架支板对排气系统性能的影响,采用数值模拟方法对2种结构形式的分开式排气系统流场进行了2维和3维计算研究。结果表明:挂架支板主要影响外涵流动,对外涵流量、总压损失等系数的影响随外涵落压比非线性变化,外涵进入临界状态后挂架支板造成的总压损失趋于不变,挂架支板对内涵流动的影响几乎不随外涵落压比而变化;外涵喷流主要通过内涵出口处剪切层影响内涵的流动,且其影响方式与喷管结构相关;喷管内涵气动性能不仅受外涵喷流特性影响,也与自身工况相关。     

当量比对带凹腔超声速燃烧室流动及燃烧特性的影响

通过调节燃料氢喷射压力参数从而改变油气当量比,分别在冷态喷流与燃烧情况下计算了当量比对流场波系及燃料与空气的掺混、燃烧特性的影响.研究表明:增大当量比会增大燃烧反压,扩大上游边界层分离区,逐渐将激波串推向燃烧室进口;同时发现燃料与空气的混合性能在近场处受当量比影响较大,随当量比增大混合效果明显增强,而在远场处基本不再受当量比变化的影响;增大当量比一定程度增大射流穿透深度,但并不能明显改善燃料分布区不合理问题,导致燃烧效率随当量比单调下降;流场总压损失及凹腔阻力系数均同当量比成正比例关系,而流场摩擦阻力随当量比单调下降,且燃烧使摩擦阻力更小.      

燃料射流隔板对受限超声速反应混合层流场和燃烧特性影响

为了研究燃料射流隔板壁面扰动对于受限超声速反应混合层流场和燃烧特性的影响,基于抽象物理模型激波和膨胀波理论推演,得到了隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场结构,并采用数值模拟方法进行了验证。数值结果表明,隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场主要由冷态主导,且相对无隔板扰动多了回流区、激波、膨胀波、波与反应混合层相互作用等复杂现象。在此基础上,对于不同隔板厚度计算的结果表明,随着隔板厚度的增加,隔板下游的回流区增大,上下膨胀产生的压力不平衡加剧,反应混合层会产生偏斜,回流区厚度和偏斜距离与隔板厚度成正比。此外,第一道反射激波存在降低点火延迟的作用,且存在一个隔板厚度阈值,阈值以下随着厚度增加点火延迟随之降低。同时,后续的多道反射激波导致混合层发展的局部起伏和局部燃烧增强。     

高超声速低温喷管横向射流混合反应过程的非定常数值模拟

基于混合RANS/LES (Reynolds averaged Navier-Stokes/large eddy simulation)方法模拟了高超声速低温(HYLTE)喷管倾斜入射横向射流的非定常混合反应过程,研究了不同副喷管喷射角和副喷管间距对射流穿透、混合以及总压损失的影响.计算表明,射流穿透深度和混合程度随着副喷管喷射角的增大而增大,但是总压损失也随之增大;副喷管间距增大,燃料射流的穿透深度增大而且总压损失略有减小,但反转旋涡对(CVP)的集中会造成射流与来流的接触面积减小,侧面混合变差.因此优化副喷管喷射角和间距对于提高HYLTE喷管混合性能乃至激光器光学性能都十分重要.通过模拟HYLTE喷管和光腔耦合区域的12组分23方程的反应流场发现,在中心线附近有较强的小信号增益系数,混合RANS/LES相比RANS方法更能反映流场变量的细节变化.      

具有前缘凹陷特征的新型气冷涡轮叶型研究

本文提出了一种具有前缘自锁涡的新型气冷涡轮叶型。对新叶型流场进行了跨音速情况下的详细数值研究。观察了由前缘冷气喷射所形成的冷气旋涡沿叶型表面的变化。将新叶型的冷却效率、能量损失、压力场等与传统气冷涡轮叶型进行了对比。结果表明，新气冷叶型能够把由前缘冷气喷射形成的冷气旋涡锁定在其凹陷部位。冷气与主流的掺混损失减小。因此，前缘冷气喷射孔的列数可以减少。相应地，冷气喷射量可以减少。     

自适应流通处理机匣喷气位置对压气机性能的影响

采用数值模拟方法研究了跨声风扇转子Rotor 67的失速机理和3个喷气位置的自适应流通处理机匣对转子性能的影响.结果表明:叶顶间隙泄漏涡中低速团是诱发失稳的主要原因;3个喷气位置的处理机匣均增大了压气机的稳定工作范围,喷气位置居中和后移的处理机匣综合稳定裕度改进量分别为13.43%,9.47%,均大于前移的2.72%;喷气位置居中和后移有利于抑制间隙泄漏流的发展,减小低能流体泄漏范围;相比前移和居中,后移不能激励压力面前缘处的低速团和抑制低能流体从叶顶前部泄漏.      

雾化槽喷嘴的流场结构与流动损失

本文对雾化槽喷嘴的流场结构与流动损失进行了研究,发现雾化槽喷嘴的几何结构对流场结构与流动损失有较大的影响,并相应地总结了流阻系数与雾化槽喷嘴的几何结构和来流M数之间的关系.得出了在航空发动机加力燃烧室中的燃油总管前放置雾化槽挡板,其冷态总压恢复系数下降很小的结论.本研究仅是雾化槽喷嘴工程应用研究的一部分.     

低排放驻涡燃烧室冷态流场特性试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对低排放驻涡燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:低排放驻涡燃烧室涡系结构稳定,在主流后方的驻涡区存在主副双涡结构,联焰板后方的驻涡区存在单涡结构,两者之间特征截面呈现出双涡涡系逐渐向单涡涡系过渡,涡心位置也随截面的变换而变化.随着进口马赫数(0.15~0.30)的增大,主涡面积随之增加,副涡面积在进口马赫数为0.2时最大,而各特征截面上主副双涡及单涡的涡心位置基本不变.驻涡区涡系强度及其边缘的气流速度,以及主燃区的气流速度均随进口马赫数增大而提高.总压损失随进口马赫数(0.15~0.30)的增大而增加.      

气动斜坡/ 燃气发生器方案燃料掺混性能研究

为了研究气动斜坡喷注器在提高掺混、点火及稳定火焰方面的作用,通过数值仿真方法,对气动斜坡及单孔直喷/燃气发生器2种方案冷流掺混流场进行了对比研究。结果表明:气动斜坡方案在燃烧室中能形成更强、更复杂的流向涡结构,对增进燃料掺混作用明显;在燃烧室后半段2种方案羽流面积相差不大,但是气动斜坡方案燃料质量中心在燃烧室中心区域附近,直喷方案燃料质量中心更靠近燃烧室上壁面,气动斜坡方案燃料分布更加均匀,到燃烧室出口处,掺混效率比直喷方案的高约10%;与直喷方案相比,气动斜坡方案对主流的影响更小,总压恢复性能优于直喷方案的,在燃烧室出口处,总压恢复系数比直喷方案的高约10%。