预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

马赫数2.5超燃室中超/亚声流流向涡掺混冷态流场数值研究

结合实验,对一种带亚声速预燃室和流向涡掺混器的超声速燃烧模型燃烧室,在其进口马赫数为2.5的来流条件下,进行了冷态流场的数值研究.计算与实验得到的燃烧室沿程压力分布相当一致,计算与实验得到的激波结构也基本吻合.计算结果表明:首先,在马赫数2.5的来流条件下,亚燃预燃室易于达到启动状态;其次,流向涡掺混器增强超/亚声速流之间的掺混的效果明显,但其掺混深度尚有限;最后,流向涡掺混的超燃室掺混段有着复杂的激波膨胀波波系,波涡干涉和激波附面层干涉结构.     

DCR进气分流与掺混流场的数值模拟

采用矢通量分裂法求解2D-Euler方程组, 对亚燃/超燃双重燃烧冲压发动机(DCR)进气分流流场及其双重燃烧的冷态掺混流场进行了数值模拟。计算结果给出了全流场清晰的激波结构, 并提供了超燃室中两股高速气流掺混的物理图像。本文的数值结果对于亚燃/超燃双重燃烧室的点火燃烧研究提供了一些有用的信息。      

基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

ATR发动机燃烧室波瓣混合器张角及瓣宽比对掺混、燃烧特性的影响

为了促进空气涡轮火箭发动机燃烧室内来自压气机的空气和流经涡轮的富燃燃气的掺混、提高燃烧效率,本文基于空气涡轮火箭发动机燃烧室入口结构参数设计了波瓣混合器,并采用数值模拟方法通过调整张角及瓣宽比对波瓣结构进行优化。结果表明：1）保持外张角不变,增大波瓣内张角可以有效改善内涵燃料在燃烧室中心轴附近区域燃烧不完全的状况;2）在内、外张角相同的条件下,通过减小瓣宽b2使瓣宽比 大于1可以提升掺混及燃烧效率;3）相对于非反应流动,波瓣诱导流向涡在反应流中强度更高,沿径向向外移动的速度也更快;4）带有波瓣结构的燃烧室内,因内、外涵气流掺混造成的总压损失很小,80%以上的总压损失是由加热造成的。     

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

交变波瓣喷管高效掺混机理

结合现有交变波瓣的特点对基准波瓣喷管进行处理,设计了一种新型波瓣喷管——剑形深波谷交变波瓣喷管。采用数值方法对基准波瓣喷管、平端面交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管、剑形深波谷交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管扇形处理的射流掺混进行模拟,研究了交变波瓣喷管高效掺混的机理。结果表明,交变波瓣喷管除了深、浅波谷之间的尾流区和较小的核心区代替了基准波瓣喷管较大的核心区以外,在侧壁尾流区产生更饱满的流向涡,以及深波谷端次流前锋的刺入或在深波谷端产生流向涡,都对提高掺混效率起重要作用。交变波瓣喷管射流掺混中横向流动程度越大造成的流动损失越大,其关系为初始流向涡量每增加0.1,总压恢复系数将减小0.0001。     

马赫数2.5超/亚声流流向涡掺混超燃室冷态实验

结合对应的数值计算,对一种带亚声速预燃室和流向涡掺混器的超声速燃烧模型燃烧室实验台,在其进口马赫数为2.5的来流条件下,进行了冷态流场的实验研究.实验测得其壁面静压分布和激波系结构与流场的CFD计算结果基本一致.实验结果表明,模型燃烧室全流场超声速,达到设计状态.马赫数2.5下的冷态实验数据和CFD计算数据为进行点火实验提供了依据.      

等离子体火炬喷射频率对超声速燃烧特性的影响研究

为了研究等离子体火炬喷射频率对超声速燃烧特性的影响,采用实验方法研究了超声速气流中等离子体火炬的点火及助燃特性。在单次喷射能量保持不变的情况下等离子体火炬喷射频率呈现两种不同状态,使得超声速燃烧特性也呈现出两种截然不同的燃烧模态。燃烧模态转捩过程中伴随有正规反射向马赫反射的转化过程。等离子体火炬对处于亚燃模态的燃烧场不起作用,对处于早期超燃模态的燃烧场产生燃烧促进作用,并可以促发燃烧场由早期超燃模态向亚燃模态的转捩。     

混合器中燃气/空气掺混特性研究

合理的混合器结构对组合动力系统的高效燃烧和推进性能具有重要意义。为了获得最佳掺混效果,缩短燃烧室长度,利用CFD程序分别对环形、旋流器型和波瓣混合器中内、外涵燃气/空气的流动和掺混特性进行了全三维数值模拟。燃气为甲烷液氧富燃燃气。结果表明：无论采用何种混合器,随着掺混距离的增加,总温和组分均趋均匀;其中,波瓣混合器的掺混效果最好,内外双旋流型混合器的掺混效果次之,环形混合器的掺混效果较差;环形混合器内涵燃气喷射角度对燃气/空气掺混效果具有一定的影响,燃气与轴向成15°喷射时,掺混效果优于无角度喷射。     

受限空间二维超声速混合层混合增强数值研究

本文研究了具有双燃烧室冲压发动机超声速燃烧室工程背景的受限空间超声速混合层的混合增强措施——低速流入口加入沿流向振荡。研究结果表明：它对二维混合层的混合增强效果明显,加振荡后流场燃烧强度加大,但仍属于较弱燃烧强度;振荡频率决定着涡量聚集区域的位置和大小,振幅决定着涡量分配和聚集的均匀程度。     

双燃烧室冲压发动机超声速混合层混合增强数值研究

研究了具有双燃烧室冲压发动机超声速燃烧室工程背景的特定超声速混合层的混合增强措施——低速流入口加入沿流向振荡.研究结果表明:它对二维混合层的混合增强效果明显,加振荡后流场燃烧强度加大,但仍属于较弱燃烧强度;振荡频率决定着涡量聚集区域的位置和大小,振幅决定着涡量分配和聚集的均匀程度.      

燃料引射方式对超燃冲压燃烧室混合及燃烧效率的影响

应用含组分守恒方程的质量平均Navier Stokes方程和B L代数湍流模型,数值模拟了后台阶构型燃烧室在采用台阶上游支板引射和壁面垂直引射燃料时的内部流场。在计算过程中,对方程的对流项采用空间为二阶精度的TVD格式,扩散项则采用二阶中心差分离散。通过流场计算,对比研究了引射方式对燃料混合性能的影响。结果表明,台阶上游的支板在燃烧室的流场中产生了一对相对稳定的大尺度轴向旋涡,该旋涡不利于燃料的混合。采用壁面垂直引射时,在喷嘴下游的燃料流场中产生了小尺度轴向旋涡,该旋涡是提高燃料混合及燃烧效率的关键。     

基于气动斜坡/燃气发生器的超燃燃烧室实验

为探索超燃冲压发动机燃烧室中的新的火焰稳定技术,提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术,并在北航直联式超燃试验台对这种新型组合喷注器开展了超声速燃烧的试验研究。在模拟飞行马赫数5(燃烧室入口Ma=2),进行了冷流试验,获得了喷注器附近流场的纹影图像。本文设计了4种气动斜坡喷注单元,以乙烯为燃料,在约1kg/s试验气流中开展了多级喷注单元组合的超声速燃烧试验,在当量比0.78～1.22范围内实现了稳定的燃烧,经冲量分析法计算得到不同组合结构的燃烧效率为0.54～0.72。试验结果验证了这种新方案作为超然冲压发动机火焰稳定装置的可行性。     

加力燃烧室用齿冠状混合器的数值研究与验证

基于CFD(computational fluid dynamics)技术,分别采用有限速率/涡耗散(finite-rate/eddy-dissipation)、涡耗散(eddy-dissipation)和涡耗散概念(EDC)燃烧模型,对一种曲面齿冠状混合器作用下的加力燃烧室进行数值计算.计算结果表明:曲面齿冠状混合器下游产生明显的流向涡对,流向涡的存在可以增强内外涵冷热气流掺混;与直面齿冠状混合器相比,曲面齿冠状混合器下游流向涡强度大于直面齿冠状混合器,其混合效率高于直面齿冠状混合器;加力燃烧室内氧气和二氧化碳质量分数分布结构表明了涡耗散模型的计算更为合理;计算结果可为加力燃烧室混合器选型和燃烧数值模拟提供依据.      

考虑激波串的超声速燃烧流场分析模型

发展了一种考虑激波串结构的超声速燃烧流场分析模型,以应用于吸气式高超声速飞行器的设计优化过程。模型通过求解耦合有限速率化学反应的刚性常微分控制方程组来描述燃烧室内点火、燃烧等气动热力现象,采用Billig激波串模型模拟燃烧高压前传过程。采用该模型对"等直段+扩张段"、"后向台阶"和"支板喷射"三种典型构型燃烧室流场进行了计算。结果表明:所建模型正确地反映了超声速燃烧室流动中的物理化学过程;与实验数据比较,模型计算出的壁面压力分布比没有考虑激波串结构的模型符合的更好。     

氢在超音速气流中的燃烧过程

氢燃料超音速燃烧冲压发动机(简称超燃冲压)为主体的吸气式组合动力装置,已被证明是空天飞机推进器的最佳方案[1]。因而研究氢在超音速气流中的燃烧过程是一个重要的课题。国外近年来进行了大量的有关理论与实验研究工作[2、3],但大多数的研究停留在氢处于静止与等压状态下的反应过程。在超燃燃烧室中的实际燃烧过程,由于不同的燃烧室进口气流状态,大体有以下三种基本类型:扩散型燃烧、扩散动力型燃烧、动力型燃烧。