隔层式双脉冲发动机尾部点火过程流固耦合特性研究

为研究隔层式双脉冲发动机Ⅰ脉冲尾部点火过程对隔层和Ⅱ脉冲药柱结构完整性的影响，以雷诺时均Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和固体推进剂热传导方程为基础，基于耦合传热方法建立推进剂点火与燃烧加质模型，同时结合流固耦合方法，详细分析了点火过程中燃气的非定常流动特性以及燃气冲击作用下隔层和Ⅱ脉冲药柱结构的力学特性。计算结果表明，尾部点火药气体喷射入药柱后端内孔和翼槽内形成回流区，导致翼槽侧表面首先点燃，同时迅速产生了二次着火点，加快了火焰传播过程，提高了升压速率；点火过程中燃烧室内初始低温气体被挤压至燃烧室头部，并与高温燃气持续相互作用，引起燃烧室头部压力剧烈振荡；点火冲击过程中，隔层表面压力差距较大，隔层外表面上等效应力最大值为3.7MPa，最大总变形量达10.1mm。     

基于V型槽的空气/煤油燃气发生器火焰稳定方法研究

为实现空气/煤油燃气发生器的可靠点火和稳定燃烧,采用试验与数值仿真相结合的方法对V槽火焰稳定器应用于燃气发生器时阻塞比和安装位置的选取进行了研究。发现不同阻塞比的火焰稳定器安装于燃气发生器不同位置时局部油气比可以是富油或贫油,甚至出现火焰稳定器一侧为贫油,另一侧为富油的状态。从接近当量比侧向贫油侧的热量和质量传递可以使得贫油侧的火焰稳定性能提高。钝体稳定的空气/煤油部分预混火焰存在“熄火-再点火”过程,其熄火频率为30Hz,高于贫油预混火焰的10Hz。阻塞比约0.6的V槽火焰稳定性能较好,获得了空气/煤油燃气发生器采用钝体稳定火焰时稳定器安装的特征长度范围。      

环形旋流燃烧室模型点火过程的实验

在由16个旋流喷嘴组成的透明环形燃烧室实验模型中,对丙烷和空气贫燃混合气的周向点火和火焰传播过程进行了实验研究。通过高速相机记录点火过程的火焰形态和发光强度变化,对比分析了两种点火模式——先通燃气后点火(FFSL)和先点火后通燃气(SFFL)的不同形态特征。FFSL周向点火过程包含拱形火焰面传播,SFFL喷嘴间火焰传播呈现"锯齿形"结构。喷嘴旋流方向的排列会破坏周向火焰传播过程的对称性,使得沿顺时针和逆时针方向火焰面传播速度差别较大。通过对火焰发光强度积分得到热释放率变化曲线,分析统计了不同工况的周向点火时间,结果表明:在相同工况下,SFFL比FFSL大2倍以上;相同当量比下,FFSL和SFFL随着热负荷增加而减小;相同热负荷下,FFSL随当量比增加而减小,而SFFL正好相反。对两种点火模式,流动加速系数均随供气流量增加而增加。     

固体药柱燃烧断裂边界一维流场特性

以发动机燃烧室增压为条件,详细模拟了固体药柱燃烧断裂边界一维流场的特性。高温燃气在燃烧室增压驱动下注入药柱裂纹,在裂纹内形成压力波和火焰锋的传播过程。压力波前和封闭的裂纹顶端会产生拍击作用,使得裂纹顶端的压力迅速增加,进而在燃烧室增压率增大的方向上,裂纹顶端相继出现火焰减速传播、压力突升、超前点火和火焰加速传播等现象。这就找到了国内外学者在一维假设下发现的各现象之间的内在联系,并描述了四种不同的火焰传播曲线。     

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。     

两种空气/煤油燃气发生器富油燃烧组织方案对比

根据空气/煤油富油燃烧的特点,提出了两种空气/煤油燃气发生器富油燃烧组织方案,设计了采用钝体稳定火焰和旋流空气、二次喷注空气稳定火焰的两种燃气发生器.为了对比两种方案的点火和燃烧特性,对两种燃气发生器进行了一系列热试,结果表明余氧系数是燃气发生器最重要的工况参数.随着余氧系数的增加,燃气发生器的状态逐渐从启动失败变为中途熄火,最终呈正常启动状态.采用钝体稳定火焰的燃气发生器稳定工作的余氧系数边界为0.518,采用旋流空气和二次喷注空气稳定火焰可将该边界延伸到0.237,极大地扩大了燃气发生器的工作范围.与钝体稳定火焰的燃气发生器相比,旋流空气和二次喷注空气稳定火焰的燃气发生器的富油燃烧的燃烧效率提高了20%.两种方案结构复杂性相当,旋流空气和二次喷注空气稳定火焰的燃气发生器不需要冷却火焰稳定器,可提高燃气发生器的工作时间.      

火焰稳定器烧蚀原因的试验研究

 在冲压发动机调整试验过程中,往往会发生火焰稳定器的烧蚀问题。试验表明,火焰稳定器的烧蚀与燃烧室起动时在其上游不良流线体处出现稳定的不正常挂火有关。本文对于挂火烧蚀的机理进行了简化理论分析,讨论了不良流线体处的挂火是如何发生的,以及挂火能够稳定存在的条件。通过在小型试验设备上的专项试验,观察到了热燃气瞬间逆流和挂火导致火焰稳定器烧蚀的过程,并证实了理论分析的挂火界限。     

固体火箭发动机点火过程的实验研究

本文通过试验,对点火过程的点火延迟、火焰传播及充填燃烧室阶段,进行了直观的判定和分析。并提出了点火器特性与发动机尺寸关系、点火器相对于推进剂表面距离关系的最佳点火尺寸及点火尺寸效应问题。文中还叙述了点火过程的各阶段与P=f(t)曲线中压力梯度变化的对应关系。     

航天发射场导流槽综合性能评价指标体系研究

导流槽是航天发射场的重要核心设施,作用是排导火箭发动机产生的高温高压燃气射流。基于计算流体动力学原理,利用理论分析、试验研究和数值仿真方法,开展发动机燃气射流在导流槽内部流动特性以及射流噪声传播和辐射特性等火箭发射环境效应问题研究,对导流槽设计中关心的冲击、烧蚀、通畅性以及喷水冷却系统的效率和噪声防护等问题进行评价,初步建立导流槽优化设计综合性能评价指标,为导流槽综合性能设计提供重要的参考依据。     

超声速燃烧室氢气强迫点火过程实验

模拟飞行Ma=4.0的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件,在直连式试验台上对超燃冲压发动机氢气火花塞点火过程进行了研究。通过高速摄影与高速纹影捕捉了点火过程初始火焰发展与流程波系演化过程。结果表明,初始火焰传播受高速对流、湍流火焰传播和自点火多种机制控制,凹腔结构不仅提供低速环境,还在初始火焰传播过程中具有能量反馈和质量反馈(活化分子)作用,促进剪切层内火焰的发展。     

静子叶片开槽处理对单级压气机特性影响的数值研究

基于利用叶片开槽出口射流控制附面层分离的思想,提出在静子叶片上从压力面向吸力面开槽的流动控制方案,设计了在静子叶片上部的两段式转折槽,并对静子叶片开槽处理后的单级压气机特性进行了数值模拟.结果表明,静子叶片开槽处理可以显著改善单级压气机性能,扩大流量工作范围,提高压气机的稳定性.进一步分析流场发现,槽道出口射流可以有效吹除叶片尾部吸力面附面层分离气流,控制附面层分离区扩散.     

斜劈缝涡轮导向叶片尾缘出流气体流动特性数值分析

通过RNG k-ε湍流模型求解可压流的N-S方程,研究燃气轮机涡轮导向叶片尾缘劈缝出流冷气的流动情况。对斜劈缝涡轮叶片的尾缘部分建立了二维模型,根据航空发动机工况设置边界条件并进行数值模拟。研究表明,由于外流和叶片叶盆尾缘厚度的影响,叶盆尾缘端部形成局部回流,叶片尾缘劈缝气体流出后受压力梯度的影响先抬起与叶背面分离,在流过一段距离后由于跨音速流膨胀波的作用,冷气流再次附着在叶背尾缘上。文章讨论了涡轮叶片叶盆不同尾缘厚度、倾斜角度、几何造型对尾缘劈缝处流体流动特性的影响,对比了不考虑外流流动影响时尾缘劈缝处流动情况的影响。      

涡轮导向器缘板安装缝隙泄漏特性数值模拟

针对某航空发动机涡轮导向器,采用数值模拟的方法研究了缘板安装缝隙泄漏流对叶栅通道流场结构及叶栅性能参数的影响,对比分析了不同泄漏流压力、缝隙宽度及缝隙相对位置条件下的泄漏量,及其对叶栅性能参数的影响规律.研究发现:在压差作用下冷气通过缘板安装缝隙进入燃气主流通道并在中段的位置形成螺旋涡系,对端壁二次流产生明显影响,其作用效果沿叶高方向逐渐降低,最大影响区域为44.44%叶高.计算结果表明:随着泄漏流压力的提高、缝隙宽度的增加、缝隙与发动机主轴方向夹角的变大,叶栅的能量损失系数和泄漏量都呈现出了单调增加的趋势.在研究的参数范围内,涡轮缘板安装缝隙导致的泄漏流可使叶栅的能量损失系数增加14%~62%.      

跨声叶栅角区激波/附面层干扰的开槽控制措施

提出了使用叶根槽作为一种被动控制手段来控制跨声叶栅的角区分离问题。在压力面与吸力面的压差作用下,叶根槽可产生自发射流,为叶栅吸力面侧角区注入高能流体,从而控制跨声叶栅的角区分离问题。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下叶根槽对压气机叶栅性能的影响及作用机理。结果表明:在小攻角下,叶根槽射流可破坏角区环形涡,从而有效减小跨声叶栅角区分离,提高叶栅的流通能力,改善叶栅性能;在大攻角下,叶根槽射流已不能破坏角区环形涡,但仍能为角区低能流体充能,减弱角区分离,从而拓宽叶栅工作范围。在0°攻角下总压损失系数可降低11.6%,同时叶栅攻角裕度由2°拓宽为3°。      

抽吸对高超声速内收缩进气道涡流区及起动性能的影响

研究了抽吸位置和开槽形式对高超声速内收缩进气道涡流区和起动性能的影响.数值计算结果表明:在内收缩进气道下洗气流集中区域开槽对减小出口涡流区效果显著,在分离包内开槽可以以较小的流量损失来大幅提升进气道的起动性能.横纵向组合槽即T型槽的综合抽吸效率最高,相对原型进气道,设计点马赫数为6.0时在相对抽吸流量为1.01%时出口总压恢复系数提高了12.8%,畸变指数减小了37%;起动马赫数从5.2降至4.1,自起动马赫数由6.2降至4.8.      

叶根开槽叶栅对角区分离的控制

吸力面/端壁角区的分离是轴流压气机流场中固有的现象。本文采取在叶根处开槽的方法,利用压力梯度从叶片压力面向叶片吸力面引入一股射流增加分离区的能量,从而减缓分离。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下槽的位置、大小和形状对扩压叶栅性能的影响,计算结果初步表明,在非设计工况下适当位置、大小和形状的槽可以有效地减小角区分离。     

从压力面到吸力面开槽后叶栅特性的数值分析

用CFD方法对某叶型开槽前后的流场进行了数值模拟, 初步研究表明通过在压力面到吸力面开槽能有效控制和延缓叶栅吸力面附面层的分离, 从而增大气流的转折能力, 降低总压损失, 扩大叶栅的稳定工作范围.通过开槽处理, 改变了叶栅表面的静压分布, 使叶栅前段、后段的负荷增大, 小槽进口附近的负荷减小.      

开槽处理技术对叶片尾缘气流流动特性的影响

提出了从叶片压力面向吸力面开槽的处理技术, 设计了在80%～94%h叶高位置的叶片尾缘处的开槽方案, 对叶片开槽处理后的压气机工作流场进行了数值分析.结果表明:小槽进口对叶片压力面附面层低速气流具有一定的抽吸作用, 使部分压力面附面层气流和部分主流被吸入小槽并进行加速, 这股气流将从小槽出口流出, 它能够对叶背尾缘附面层内低速气流进行加速, 从而控制或延缓附面层气流分离, 并进一步减弱了尾缘附面层分离气流与叶片尾流的掺混.深入分析流场发现, 小槽出口气流还可以控制吸力面附面层气流沿叶根向叶尖的潜移, 从而防止大量附面层气流在叶尖堆积.因此采用开槽处理技术能够有效改善叶片尾缘流场的流动特性, 提高流场的稳定性.      

气体静压轴颈-止推串接型轴承静特性的分析

采用有限元方法研究了狭缝节流气体静压轴颈-止推串接型轴承的静态特性,分析了节流狭缝宽度和气膜厚度等因素对径向和轴向承载性能的影响,研究了三棱形圆度误差对径向和轴向承载能力的影响, 揭示了轴颈轴承部分和止推轴承部分之间的相互影响规律,并且研究了当有误差存在时轴承内部气膜压力分布的规律。