凹腔超声速燃烧室氢气燃烧流场数值模拟

对带长深比为10的凹腔结构的燃烧室二维氢燃烧流场进行数值模拟,燃料喷注方式采用凹腔上游喷注加辅加凹腔前壁、底壁、后壁喷注。采用三阶MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程组,湍流模型采用剪切修正的RNGk-ε湍流模型,对喷氢燃烧工况进行了计算研究,并分别分析了凹腔中不同燃料喷注方式对燃烧特性的影响。结果表明：凹腔是火焰驻留的主要区域;凹腔上游喷注氢,可以使燃料在凹腔中混合燃烧,辅加凹腔中喷氢的三种方式对燃烧状况产生一定的影响。在凹腔前壁、底面辅加喷氢,没有增强凹腔的稳焰特性,对整个燃烧状态影响不大;在凹腔后壁喷氢,能够增加凹腔中的燃料含量,加强了回流效果,对燃烧状态影响较大。三种喷注方式都没有从根本上改变凹腔燃烧流场的特性。     

滑动弧等离子体辅助超声速燃烧实验研究

将滑动弧等离子体运用在Ma=2.92的乙烯燃料超声速燃烧室中,运用40 k Hz CH*自发辐射,电流电压探针和压力传感器进行诊断。针对不同当量比研究了滑动弧等离子体对超声速火焰的燃烧增强效果,并观测到滑动弧等离子体的稳焰现象。结果表明,超声速燃烧中滑动弧等离子体有助燃作用,在当量比为0.12和0.16时助燃效果更明显,而对于贫燃工况助燃效果不明显。在全局当量比为0.16时,施加滑动弧等离子体后壁面压力平均提升12%,时均火焰面积提升27%。原因是等离子体和凹腔结合作用,强化了凹腔给主流火焰提供热量和自由基的作用。同时,再点火生成的初始火核能够传播至凹腔驻留区,在燃烧不稳定工况下有助于超声速火焰的稳定。     

等离子体喷嘴在超燃燃烧室中助燃的研究

为提高超燃冲压发动机燃烧效率,参考国内外研究给出了介质阻挡放电等离子体喷嘴基本构型并设计了电弧放电等离子体喷嘴基本构型,数值模拟了电弧(ARC)和介质阻挡放电(DBD)两种等离子体喷嘴安装在火焰稳定凹腔上游时的流场燃烧过程,研究了喷注氢气时等离子体对燃烧室各组分及温度、压力等关键参数的影响。结果表明:产物中水生成量有一定程度的增加,燃烧室压力、温度也有不同程度增长,起到了助燃效果,但电弧喷嘴的助燃效果更明显。     

两种优化组合式燃料喷注方案的凹腔稳焰特性实验研究

在马赫数2.0,总压0.98 MPa和总温920 K的超声速来流条件下,针对现有常见的凹腔组合式燃料喷注方案出现的燃烧不稳定和火焰吹熄现象,通过改变凹腔上游壁面双路燃料喷注的位置,设计了两种优化的凹腔组合式喷注方案,并对不同燃料喷注方案下的火焰稳定过程进行研究。通过高速摄影和CH*基自发辐射成像技术,详细观测了后缘突扩凹腔燃烧室中乙烯火焰传播过程。研究表明,原始的喷注方案容易发生火焰振荡,并伴随着火焰回传现象以燃烧模式的转换;当量比超过0.3时,就难以实现稳定燃烧,并出现火焰吹熄现象。两种改进的喷注方案均能增强燃料射流与凹腔的相互作用,可在更宽燃料喷注当量比范围内维持火焰不被吹熄。相比于增加上游喷注与凹腔前缘距离的喷注方案而言,增加双路燃料喷注之间距离的喷注方案的稳焰效果更好,燃烧反应区也更加靠近凹腔前缘,燃烧释热也更强。这种喷注方案可为超燃冲压发动机燃烧室中凹腔燃料喷注方案的优化设计提供参考。     

液体火箭燃烧尾焰冲击干扰效应数值研究

火箭发射时其燃烧尾焰的冲击干扰效应对发射稳定性和发射架、导流槽等地面设施有重要影响。文章采用压力隐式算子分裂算法,通过求解Navier-Stokes方程,对氢氧液体火箭发动机燃烧室内燃烧过程与尾焰流场进行了一体化数值计算,得到了火箭发射后尾焰与地面撞击产生的冲击流场。结果表明:尾焰流场计算模型、方法与结果合理;尾焰冲击干扰效应会大幅度提高地面附近的压力和温度;火箭尾焰撞击地面后,高温区出现在离地面一定距离的高温层内,此时地面附近为低速区;尾焰对其正下面的地面区域产生冲击最大,主要干扰区域集中于半径为15 m的圆形区域。     

可降低气动热效应的类凹腔外形优化设计

针对飞行器上由凸起物形成的类凹腔气动加热问题,采用数值方法求解三维N-S方程,研究了类凹腔外形结构的高超声速气动加热规律,获得了三维高超声速流场和局部热流分布,并详细分析了局部的流场结构和气动加热机理。针对凹腔前壁面热流密度过高的问题,提出并验证了一种降低前壁面边缘热流密度的优化外形,将前壁面的热流密度降低至优化前的20%左右。     

喷管收敛段与喉部型面对喷管流量的影响

用Fluent计算流体力学软件对固体火箭发动机喷管流场进行了数值计算，研究了喷管收敛半角，喷管喉部上游圆弧曲率半径长喉部圆柱段长度对喷管流场的影响，研究结果表明，喷管喉部圆柱段长度对流量影响不大，喷管流量随喷管收敛半角的增大而减小，喷管流量随喷管喉部上游圆弧半径的增大而增大。所提供的结论可供喷管设计人员参考。     

基于OpenFOAM平台的钝体稳焰器尾流动力学分析

在具有高速来流的燃烧室结构中被广泛采用的钝体稳焰器主要通过尾流流场中的剪切层以及低速回流区达到稳定火焰的目的,因此有必要对尾流非稳态流场进行流体动力学分析。本文基于OpenFOAM开源计算流体力学平台对Volvo试验钝体稳焰器非稳态流场进行仿真计算,并采用Omega涡识别方法以及动力学模态分解方法对计算结果进行分析以获取流场流体动力学特性。通过与试验结果进行对比,表明采取κ-ωSST IDDES湍流模型能够获得较为详细的钝体稳焰器尾流流场结构; Omega涡识别方法能够有效识别尾流流场涡结构;采用动力学模态分解方法能够获得具有明确物理意义的流体动力学模态,对于钝体稳焰器尾流动力学研究具有重要意义。     

超音速燃烧室凹槽流动特性研究

对超音速燃烧室内各种构型的凹槽流场进行了数值模拟,研究了凹槽的后壁面斜角、凹槽长高比及凹槽前后壁面高度比等参数对凹槽流场的影响,计算了各种构型凹槽的阻力、停留时间等。研究结果对定量认识凹槽流场、优化凹槽构型、设计高效率的火焰稳定器具有一定借鉴作用。     

RBCC直扩燃烧室煤油喷雾燃烧火焰稳定与放热规律的数值模拟

扩张构型燃烧室的燃烧流动细节与放热规律是RBCC发动机设计中的核心技 术。采用湍流流动的分离涡（DES）计算方法,数值计算了RBCC燃烧室以凹腔作为火焰 稳定器的液态煤油喷雾燃烧三维两相流动。针对逐级扩张的RBCC燃烧室构型,详细研究了不 同来流状态下的喷雾燃烧流动特征以及液态煤油分级喷注的放热规律。研究表明,高来流总 温条件下,凹腔火焰稳定器可起到驻留火焰的作用,在相对较低来流总温条件下,凹腔并非 是实现火焰稳定的充分条件,必须采用其他方式补偿液态燃料蒸发吸热所损失的热量。考虑 到扩张构型的几何通道承受的压力提升范围有限,燃料喷注位置不宜安置在燃烧室上游流场 ;为了实现最大的燃烧效率以及发动机推力,采用前后级辅助喷注的方式是目前可行的解决 措施。     

电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟

基于电弧放电等离子体热阻塞机理,对等离子体超声速流动控制过程进行了数值模拟,研究了等离子体对边界层的影响,分析了放电区大小、温度等对其作用效果的影响。结果显示：在高温等离子体放电区的上下游近区发生了边界层分离及漩涡运动;在放电区内有两种边界层,即高温等离子体与外界低温气流之间的温度边界层和气流与壁面之间的粘性边界层;放电区内形成漩涡运动的原因有两个,即内外压差和边界层分离;上游边界层的分离点y轴坐标随温度的增大而减小;增大来流速度,放电区上游分离点y轴坐标呈先增大后减小的趋势、放电区内漩涡运动加剧、下游近区边界层分离点y轴坐标减小。     

液体亚燃燃烧室点火装置工作特性数值研究

基于气体动力学和计算流体力学的相关理论,采用CFD-ACE＋流场计算软件,对液体亚燃燃烧室点火装置单独工作时的稳态流场进行了数值模拟.在试验验证的基础上分析了点火器室压、点火导管内径和导管的结构形式对火焰点火性能的影响.结果表明：当点火器室温和燃气流量恒定时,若保持管道的扩张比不变,选用较低室压的点火器更利于点火;在一定范围内增大导管内径可以提高火焰的点火性能;燃气在直管内的流动损失较小,出口射流的速度较高,穿透深度较大,带弯头的点火导管出口火焰特征类似,有无弯头对火焰的影响很大,而角度差异产生的影响很小.     

水反应金属燃料发动机三维两相燃烧数值模拟

用三维湍流N-S方程及颗粒轨道模型描述水反应金属燃料发动机内部喷雾两相湍流燃烧过程。通过耦合求解气液两相流模型方程,得到发动机燃烧流场。通过模拟Mg与水的反应,分析比较了一次和二次进水方案的不同流场特性。研究结果表明,二次进水方案更有利于火焰稳定和提高燃烧性能。     

单喷嘴燃烧流场仿真研究

运用CFD技术,采用涡扩散（EDC,eddy dissipation concept）模型对某发动机单喷嘴燃烧的稳态燃烧流场进行了数值模拟,得到了燃烧室内的压力、速度、温度及燃气组分等参数的分布情况,并对其混合程度进行了评估。结构改进前后的计算结果对比表明,适当增加中心喷嘴的壁厚和缩进长度有利于燃烧室火焰的附着和提高燃烧室流场的均匀程度。     

前缘水平投影可控的乘波体设计方法研究

结合流线追踪技术和密切面混合函数提出了一种前缘水平投影可控的乘波体设计方法,并完成了前缘水平投影为超椭圆的乘波体(Waverider-F)和超椭圆前缘转超椭圆后缘的乘波体(Waverider-FT)设计。二者具有较高的容积效率,前缘对应的轴向投影近似为余弦曲线。通过数值仿真验证了设计方法的有效性,设计点时Waverider-F的乘波特性良好且保持了基准流场的特点,Waverider-FT前部完全乘波,后部两侧诱导激波使流场变形且形成高压区,接力点时二者的乘波特性也较好。另外,二者具有较高的升阻比和预压缩效率,设计点时无粘升阻比分别为3.46和2.88。与Waverider-F相比,Waverider-FT的升力、阻力和出口增压比都明显增加,而升阻比、俯仰力矩和出口总压恢复系数降低。有粘条件下,设计点的升阻比由2.91降为2.41,对应的出口总压恢复系数降低了5.8%。     

On a distorted flame front as a hydrodynamic discontinuity

The radius of curvature of a steady distorted flame often turns out to be considerably larger than the width of the thermal structure of the flame. Thus, even under finite deformations of the flame, its structure remains quasi-one-dimensional. This property enables the propagation velocity of a distorted flame front (relative to the gas) to be determined explicitly as a function of the hydrodynamic field and the physico-chemical parameters of the gaseous mixture. With the aid of this relationship one can try to determine the shape of the front in a model which is external with respect to the flame structure and treats the flame as a density jump in an ideal incompressible fluid. As applications, we consider (1) the structure of a Bunsen cone, (2) the extinction of a flame in a divergent flow and (3) the propagation velocity of a corrugated flame.     

减阻航天煤油减阻机理与传热规律数值模拟

在火箭煤油中添加高聚物进行有效减阻已有大量实验研究,但对于煤油流动与传热过程中流场与温度场的分布及机理分析较少,采用CFD方法对火箭煤油减阻机理与传热规律进行三维数值模拟分析,并与普通煤油进行对比。等效黏度模型采用UDF进行编译,其黏性项分别采用非牛顿流体与牛顿流体模型进行处理。数值模拟研究表明,减阻剂的添加使得减阻煤...     

冲压发动机点火前内流场数值仿真研究

冲压发动机在点火前由于燃烧室的压力较低,内通道流场状态与发动机正常工作时的差别很大。因此,在发动机设计时,必须要考虑形成正常点火条件对发动机结构的约束。本文利用有限体积法对N-S方程进行空间离散,对发动机点火前的不同内通道结构下的冷流场进行了数值模拟,结果表明稳定器和喷油装置对形成合理的点火条件很重要,稳定器的布局对点火状态有很大影响。     

某固体火箭发动机点火启动过程三维流场一体化仿真

以某固体发动机的燃烧室和喷管为一体化研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动过程中燃烧室和喷管内燃气的流场特性。发动机药柱上的着火点最初出现在药柱星角尖上,然后向四周扩展;在药柱点火初期,燃气压力波先于火焰峰到达喷管;随着燃烧室内燃气压力升高,压力沿轴向分布逐渐平缓;当喷管进口压力与出口背压比达到某一值时,喷管扩张段内出现一道激波,随着压力比的升高,激波最终移出喷管,燃气流速在喷管出口处达到最大值。     

基于有限元仿真的薄壁圆柱壳轴向动力屈曲实验研究

研究薄壁圆柱壳的动力屈曲行为，有助于构造具有高吸能率的抗爆和抗冲击结构。基于有限元仿真，比较撞击系统动能的时间历程和屈曲变形的时间历程，提出了用以确定第二临界速度的能量迭代法，应用此方法设计薄壁圆柱壳的动力屈曲结构可有效地减少试验次数，降低实验成本。该方法的可行性和正确性利用落锤实验得到了验证。另外，数值仿真和实验研究表明：轴向冲击下的薄壁圆柱壳，随径厚比的增加，折屈边数有明显增加的趋势。