含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率研究

为了提高含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率,从推进剂的燃烧热值定义出发推导了燃烧效率表达式,并通过地面试车实验和热力学计算研究了催化剂、氧化剂喷注方式、后燃室容积对燃烧效率的影响。结果表明:推进剂的燃烧效率变化趋势可由特征速度效率表示,但更为精确的燃烧效率表达式应为特征速度效率的平方;燃料中添加卡托辛、亚铬酸铜和硬脂酸钴可使燃烧效率分别提高32.8%,43.3%和52.0%;相比涡轮转子和螺旋喷注器,离心式喷注器的旋流效果更好,可促进燃料与氧化剂掺混,从而更有利于提高含石蜡燃料的退移速率和燃烧效率;增加后燃室长度可提高燃烧效率,但较长的后燃室散热损失和流动损失较高从而导致比冲较低,当后燃室长度为80mm时,燃烧效率可达89.3%,因此得出了三种有效提高含石蜡燃料燃烧效率的方法。     

固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题，设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机，开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明：掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象，为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置，将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率，本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。     

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。     

碳黑对固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性影响

为研究含碳黑推进剂对固体燃料冲压发动机(SFRJ)旋流燃烧特性的影响,以高密度聚乙烯和含碳黑聚乙烯为推进剂,使用直连式实验系统对冲压发动机进行了旋流和无旋工况的实验研究。并根据实验所获的数据进一步计算得到不同工况下SFRJ工作性能参数。结果表明与聚乙烯(PE)固体燃料相比,含5%碳黑的聚乙烯推进剂可以有效提高固体燃料的燃速、特征速度和推力。在旋流工况下,固体燃料冲压发动机补燃室压强和温度也相应提高,燃烧稳定性增强。同时,在对燃烧室构型进行实验研究时发现,固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性和燃烧效率会随药柱内径的增大而提高,而发动机平均燃速则会随着药柱内径的增加而降低。     

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。     

三组元发动机燃烧稳定性试验

设计了气氢／液氧／煤油三组元双工况模型发动机，对不同燃烧室压力、燃料比例，喷注器的结构，燃烧室长度，混合比条件下的高频燃烧稳定性进行了试验，试验中观察到低频和高频自激燃烧不稳定，有限的试验表明，较大的缩进比和较小的旋流数有利于燃烧稳定，提高燃料中氢气的比例＞10％时，有利于燃烧稳定；但氢气对烃氧燃烧稳定性的提高不是绝对的，氢气在燃料中的比例达39％时，燃烧室内仍存在压力为0．13MPa的压力脉动。     

进气道出口截面形式对补燃室掺混性能的影响研究

为研究进气道出口截面形式对补燃室掺混气动特性和燃烧性能的影响，本文对双下侧布局形式的固冲发动机内流场进行数值模拟，对比分析了补燃室相同压比下两种不同进气道出口截面形式在不考虑燃气的混合和反应时掺混段的气动特性和考虑燃气反应时补燃室的燃烧性能。结果表明：两股空气掺混过程中，研究的两种进气道出口截面方案的整体总压损失大致相同，但进气道圆形出口截面的掺混段内流线表现为不稳定的螺旋点形态，相比于方形出口截面的掺混段，其使气流掺混更剧烈，短距离内掺混已经很均匀，且旋流强度小；在考虑燃烧时，进气道圆形出口截面对应的补燃室出口总压恢复系数比方形截面的高约2%，方形进气道出口截面的补燃室出口截面总燃烧效率为95.58%，而圆形截面的达到99.86%。     

RBCC发动机燃料喷注位置变化对混合燃烧模式燃烧的影响

为了研究混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧的影响,通过数值模拟的方法,研究了喷注位置变化时,流道组分质量分数分布、高温放热区域及流道压强分布的变化规律.结果表明,混合燃烧模式中,喷注位置变化对燃烧流场影响很大.在燃烧室中,燃料喷注位置靠前能给燃烧带来帮助,提高燃料与二次来流的掺混能力,并且由于燃料与一次火箭高温羽流相互掺混等影响提前,加快燃料的雾化蒸发,促进燃烧流场的火焰传播,减少煤油点火延迟时间,提高了燃烧效率.因此为了提高混合燃烧模式下的燃烧性能,应尽可能选择燃烧室前端位置进行燃料喷注.      

超燃冲压发动机支板喷射燃料的燃烧过程试验

利用高速摄影和高速纹影对超燃冲压发动机支板喷注燃料的燃烧流动过程进行了试验研究,结果表明:燃料喷注器与火焰稳定器之间的相对位置,对流场的火焰结构和发动机性能有较大的影响,支板侧喷较尾喷方案具有更好的燃烧效果.燃烧与流动强烈耦合,燃烧放热使得燃烧室压力升高,改变了上游来流流场结构,流场结构的改变同时又影响到了燃料的喷注、扩散和混合过程.      

旋流对固体燃料冲压发动机燃烧过程的影响

针对旋流数对固体燃料冲压发动机燃烧流场的影响，进行了不同旋流数(s=0,0.2,0.4,0.6)工况下固体燃料冲压发动机直连式试验研究，固体燃料采用高密度聚乙烯（HDPE），并对s=0.6和s=0两个工况进行数值仿真研究.试验和数值仿真结果表明:旋流的引入有助于火焰稳定，对提高补燃室压强和燃速有积极作用.在旋流工况下会使药柱表面热流密度高于无旋流，并使燃烧室中的化学反应更加充分.高强度旋流的引入会使燃烧更加充分，燃烧效率有所提高.      

两种亚网格燃烧模型的旋流扩散燃烧大涡模拟

用二阶矩亚网格（SOM—SGS）燃烧模型和文献中的涡旋破碎亚网格（EBU—SGS）燃烧模型，对甲烷一空气旋流扩散燃烧进行了大涡模拟，将二者得到的LES统计平均温度分布和实验结果以及用二阶矩燃烧模型的统观模拟（RANS—SOM）结果比较，表明LES—SOM和RANS—SOM的模拟结果都和实验符合较好，而LES—EBU的模拟结果和实验不符合，在不同区域内高估或者低估了燃烧温度。其原因是由于EBU模型不能有效地考虑有限反应动力学的作用。LES—SOM模拟的瞬态结果显示了旋流扩散火焰的湍流大涡结构不同于射流火焰的特点。     

高温富油燃气超声速燃烧数值模拟

发展了二维超燃流场的数值模拟计算程序 ,用来进行高温富油燃气超燃流场的数值计算。数值解法采用了 Mac Cormack预估 -校正两步显式格式求解矢通分裂形式的 N- S方程组 ,湍流模型采用了壁面率修正的 Baldwin- Lomax代数方程模型和用于剪切混合层的普朗特混合长度模型。在超燃计算中 ,应用 C2 H4- O2 两步反应的有限速率化学反应模型 ,模拟高温富油燃气超燃试验的试验状态。计算结果表明 ,在高温富油燃气超燃流场中 ,热量释放较少     

亚／超双模态超音速燃烧的实验研究

描述了在超音速燃烧室中如何从亚音速燃烧模态转变为超音速燃烧模态的概念和目前的研究状态，并用实验表明改变氢燃料喷射位置和当量比对燃烧状态的影响，以及燃烧室各截面参数的变化规律。     

氢/氧气-气燃烧与气-液燃烧特性对比研究

对氢/氧气-气和气-液同轴剪切式单喷注器进行了燃烧流动的仿真研究.采用带化学反应的湍流Navier-Stokes方程和颗粒轨道模型描述发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,气相化学反应速率都由Ar-rhenius公式计算.对典型气-气燃烧和气-液燃烧仿真结果进行了比较,结果表明气-气燃烧完成长度相对气-液燃烧更长;并进行了同轴喷注器关键参数对两种燃烧流场的影响的仿真和分析比较,得到喷注流量和动量比均为影响两类型喷注器燃烧流场的关键因素,且这两因素对燃烧完成长度的影响趋势是完全相同的,而喷注速度对两类型喷注器燃烧流场影响程度都较小.      

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。     

高温富油燃气超燃试验研究

在空气流量１．２ ｋｇ／ｓ 左右的地面连管试验台上, 进行了模拟飞行Ｍａ＝ ４, ５, ６的三个气流总温状态的碳氢燃料（煤油） 超燃试验。试验用双燃烧室方案, 由突扩型亚燃燃烧室燃烧产生的高温可燃气以马赫数１．２５喷入超燃室, 超燃室空气流马赫数为２．１５ （或２．１３）。不同空气流总温状态下燃料当量比对亚燃燃烧室和超燃燃烧室的试验结果表明, 双燃烧室方案实施煤油的超声速燃烧是可行的。若进一步采取混合增强和合理控制油量分配等措施, 则可提高双燃燃烧室超燃效率。     

不同直径圆球诱导燃烧的振荡机制与频率特性

为了分析不同直径圆球诱导振荡燃烧的规律，并揭示圆球大小在振荡燃烧现象中所发挥的深层次作用，本文采用二维轴对称Euler方程和基元反应模型，对不同直径的圆球在H2/air预混气体中诱导振荡燃烧的现象开展数值模拟研究。研究发现，振荡频率并不是简单地随直径增大而逐渐从高频向低频连续过渡，而是存在两次突变，形成了超高频、高频以及低频三种振荡燃烧模态。在两种模态间过渡时，振荡达到稳定状态前，会存在一段双频耦合的振荡阶段。三种不同振荡燃烧模态的产生是受到了不同振荡机制的作用，而两种模态间过渡时的双频耦合现象则是两种机制相互竞争的结果。     

湍流两相燃烧不稳定性分析

采用数值模拟的方法对液体火箭发动机燃烧室内湍流两相流动与燃烧过程进行了分析,同时研究了燃烧室内高频不稳定燃烧现象。气相控制方程用欧拉坐标系下的Navier-Stokes方程组描述,液相控制方程在Lagrangian坐标系下描述,湍流模型采用高雷诺数的k-ε双方程模型,并采用高压蒸发燃烧模型。通过数值模拟分析了当燃烧室处于稳态燃烧时从喷注面到喉部之间两相混合物的变化规律;当发生高频不稳定燃烧时所研究的控制体内混合气体和喷雾的量发生振荡,并且具有相同的频率和半个周期的相位差。     

自燃推进剂模型燃烧室高频纵向燃烧不稳定性

采用集总燃烧模型对某自燃推进剂模型燃烧室的高频纵向燃烧不稳定性进行了分析,计算了液滴蒸发速率沿轴向分布,忽略化学反应时间,近似采用蒸发速率峰值位置代替集中燃烧锋面位置,采用NASA经验公式给出了相应的敏感时滞和相互作用指数,建立了考虑自燃推进剂液滴蒸发过程的高频纵向燃烧不稳定性量化分析模型。基于系统振荡增益变化曲线,分析了不同液滴初始速度条件下稳定性趋势。研究表明:集中燃烧锋面位置对于高频纵向燃烧振荡具有重要影响,液滴平均粒径和液滴初始速度的增加都会导致其向下游移动,相应振荡增益会减小,稳定性提高。当平均粒径超过150 μm时,模型燃烧室振荡增益幅值降低至10以下,达到了理论上的稳定。     

双模态超燃燃烧室计算

选择了固定几何流通截面的双模态超燃燃烧室模型,采用气动热力调节的方法（即调节燃料喷射方式和燃烧速率）来实现双模态、宽马赫范围工作。在计算中用一维、定比热容方法分析了相关参数对燃烧室模态转变、性能的影响和隔离段与燃烧室的相互作用。计算结果表明,气动热力调节实现燃烧室内燃烧模态的转变是可行的。