氢气超音速燃烧非定常过程数值模拟

用有限差分法求解二维Ｎ－Ｓ方程和组分守恒方程，使用代数涡粘性湍流模型，两步化学反应模型和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂法，模拟超音速气流中横喷氢气自动着火及火焰传播过程，清晰地描述了喷氢、火焰传播到主流、稳定燃烧过程中，温度、压力、速度和油气当量比的变化。计算结果表明，高温附面层和喷嘴前回流区能促使氢气自动着火，进口气流的静温是火焰向主流传播的重要影响因素。计算还证明了喷嘴后氢与空气两股流呈现平行流动，其间存在着强烈的湍流交换和化学反应边界层，超音速燃烧效率则主要取决于两股气流的混合速率。     

台阶后横喷氢气超音速燃烧流场数值模拟研究

采用ＭｃＣｏｒｍａｃｋ格式、代数涡粘性湍流模型及有限速率化学动力学模型，用数值模拟方法研究了台阶后横喷氢气二元燃烧流场。数值计算结果表明：台阶的作用不仅能扩大火焰稳定性，而且增加氢射流对主流的穿透深度，提高燃烧效率；当进口气流Ｍ数越高，进口温度越高，油气当量比越接近于恰当比，壁面温度对流场的影响越大。还提出了在超音速气流中，横喷氢自动着火时滞的火焰稳定机理新观点，由此可更准确地预估自动着火点的位置及火焰稳定性。     

超音速气流中横喷氢气自动着火与燃烧非定常过程的实验研究

进行了Ｍ＝２超音速流中横喷氢的自动着火及燃烧非定常过程实验研究，用高速纹影摄影、壁面动态和静态压力测量仪及壁温热电偶等进行了测量。得到了喷嘴后回流区壁压随时间的变化规律，以及壁压和壁面秒温升沿轴线的变化趋势。获得了来流空气总温和喷氢量对自动着火过程的影响。     

超音速燃烧二元流场的数值模拟

由二元超音速燃烧流场垂直喷射Ｈ２的数值模拟计算，描述了缝隙喷嘴附近氧气与空气的混合和燃烧过程，使用两步化学反应，ＭａｃＣｏｒｍａｒｋ显式时间分裂法和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ修正的代数湍流模型，计算超音速燃烧流场，得出了流线，静压，静温，Ｈ２和Ｈ２Ｏ浓度等值线图，反映了缝隙喷嘴附近回流区的大小，自动着火点的位置及火焰向主流的传播现象。     

凝胶自燃推进剂着火及火焰试验

为研究撞击式喷嘴凝胶自燃推进剂着火及火焰特性，在单喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮（MMH/NTO）喷雾燃烧过程试验研究。试验采用撞击角为75°、90°、105°的两股互击式喷嘴和撞击角为90°的两股燃料撞击一股氧化剂（F-O-F）、两股氧化剂撞击一股燃料（O-F-O）三股互击式喷嘴，首先结合高速摄影与纹影技术拍摄了燃烧过程纹影图像，随后采用高速摄影直接拍摄了燃烧过程火焰自然辐射发光图像。通过图像处理，提取了火焰着火距离、火焰轴向传播速度、火焰夹角以及反应距离，并分析了喷嘴类型、燃料射流速度的影响。试验结果表明，凝胶MMH/NTO燃烧主要发生在液膜破碎成液丝之后，射流速度越快，燃气扩散速度越快；凝胶MMH/NTO推进剂采用撞击角为105°的两股互击式喷嘴时着火距离最短；凝胶MMH/NTO着火时火焰轴向传播速度随燃料射流速度增加而增加，撞击角为90°时火焰沿喷注面下游传播速度较快；凝胶MMH/NTO稳态燃烧时火焰夹角随燃料射流速度增加而增加，反应距离随燃料射流速度增加而减小，其中撞击角为90°的两股互击式喷嘴火焰夹角最大，撞击角为105°的两股互击式喷嘴反应距离最短。     

湍流燃烧模型对氢燃料超燃室流场模拟的影响

采用化学平衡的假定概率密度函数(PDF)模型和火焰面模型计算了德国宇航研究中心的超燃室反应流,计算结果与有限速率反应模型的和实验的结果进行了对比.使用有限体积法离散Favre平均的N-S方程,湍流模型采用k-ε模型.研究表明:(1)有限速率反应模型在喷氢孔近场,化学平衡的假定PDF模型在喷氢孔远场不能准确捕捉流场的细致结构,而火焰面模型对全流场预测较好,后两种模型的计算时间较有限速率反应模型节省约38%;(2)超燃室内湍流和燃烧相互作用不可忽略,从预测精度和计算效率来看,火焰面模型有较好的工程应用前景.      

模型超音速燃烧室流场和性能的数值模拟

研究了简化模型超音速燃烧室流场和性能的数值模拟方法，该燃烧室在支板后缘设置一缝隙式喷嘴，平行于超音速空气流喷射氢气。用椭圆型偏微分方程数学模型，ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ差分格式成功地计算了两种不同后绿尺寸的流场及其性能，为了对照比较，还计算了另外两种流场。计算结果表明，支板后的流场存在回流区，因喷氢的压力高于超音速空气流的压力和壁面附面层的影响，燃烧室内将出现斜冲波和膨胀波，压力沿横向变化明显，由此证明流场与“边界层流动”有性质上区别。提出了全流场按性质不同分段进行数值模拟的方法，利用计算得到的流场节点状态参数（如温度、压力等），积分获得燃烧室的性能参数，和文献的实验数据对比，计算结果合理、可靠。     

三种不同结构超声速燃烧室流场的数值研究

采用有限体积法求解可压缩N-S方程及组分方程,对三种不同结构的超声速燃烧室进行了数值研究.研究结果表明,凹槽改变了燃烧室波系结构,促进氢气和空气的混合,利于燃烧,所形成的相对稳定的回流区可用于点火和稳定火焰;喷射二次氢气可消除仅一次喷氢所带来问题,进一步促进氢气和空气的混合及燃烧,但带来比较大的总压损失.      

超燃冲压发动机二次喷氢燃烧的数值研究

采用有限体积法求解可压缩N-S方程及组分方程,对直壁扩张燃烧室内二次喷氢补燃进行系统的数值模拟,对燃烧室内冷热态流场以及二次氢气的喷射角度、压力和温度等因素的影响进行了系统研究。研究结果表明,喷入二次氢气可以在一定程度上改善只喷一次氢气带来的问题,二次氢气的参数变化影响到燃烧室内的波系结构,能够使得氢-空气混合更加充分,更利于氢-空气的完全燃烧。     

氢气引燃的酒精超燃火焰结构分析

为研究与液体酒精燃料超声速燃烧相关的点火和火焰稳定机理，利用氢氧基PLIF浓度分布测量技术，显示和对比了氢气引燃的酒精超燃火焰结构与氢气单独燃烧时的超燃火焰结构。通过对火焰着火位置、火焰主要结构特征的比较，分析了使用酒精和氢气时超燃点火与火焰稳定机理的差异。指出火焰结构的变化是由于燃烧控制机理发生了变化。研究发现，除了酒精化学性质不如氢气活泼带来的差别外，液体燃料的喷注、雾化和蒸发等都对火焰结构带来明显影响，其中蒸发过程对酒精火焰结构的形成起主要作用，组织液体燃料的超声速燃烧需要注意这样的差别；在所研究实验条件下，酒精主要由氢气点燃。     

亚毫米空间内火焰从层流向爆燃模式的转变特性研究

为了探究微小空间内的火焰加速特性,在一个可视化的、特征间距为0.45mm的微尺度定容燃烧室内,实验研究了丙烷/氢气/空气预混的火焰传播特性。实验考察了亚毫米空间条件下掺氢比例、混合气初始温度和初始压力对火焰传播的影响,其中掺氢比例分别为0.2和0.4,初始温度分别为290K和306K,初始压力从0.1MPa到0.3MPa。实验观察到了火焰在传播过程中加速,并发生缓燃转变到爆燃的现象,火焰传播速度获得大幅提升。另外发现初始压力的提升有利于加速火焰传播,提升峰值压力,且较小幅度的初始温度上升能够有效提高火焰传播速度。     

氢气引导乙烯火焰非定常燃烧过程

基于脉冲燃烧直连式试验台，开展了超燃冲压发动机氢气引导乙烯火焰的非定常燃烧过程研究。燃烧室入口条件为马赫数2、总温950 K和总压1.0 MPa。试验过程分为4个阶段：冷流、引导氢气单独燃烧、引导氢气点燃乙烯、乙烯单独燃烧。基于高频壁面压力测量和火焰荧光高速摄影，获得了代表性测点的压力时间曲线及燃烧室内火焰发展历程，提取了压力平均值、振荡幅度和频率、着火时间及反应位置等重要信息，分析了不同燃烧阶段的非定常特性。试验结果表明：在氢气单独燃烧阶段，非定常特性源于凹槽后斜坡区域氢气反应强度的变化。在氢气点燃乙烯阶段，非定常特性由氢气和乙烯火焰的“交接”引起。在乙烯单独燃烧阶段，非定常特性由燃烧和超声速流动之间的耦合引起。     

旋流强度对氢气预混火焰CIVB回火的影响

为了研究旋流强度对氢气预混火焰燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,以便深入理解氢气的CIVB回火特点进而减弱回火,首先采用二维轴对称模型,并使用用户自定义函数(UDF)修改动量守恒方程来模拟旋流,得到了不同旋流数下氢气预混火焰的CIVB回火极限,然后从旋流强度对流场特性和火焰特性两方面的影响进行深入分析。结果表明:对于无中心体旋流预混喷嘴中氢气火焰的CIVB回火,旋流数从0.409增加到0.432,从流场条件分析,旋流数增加使负切向涡量增加,对回火起促进作用;从火焰条件分析,旋流数增加使氢气湍流火焰速度先增加后减小,最后趋于猝熄,对回火先起促进作用后起抑制作用。流场和火焰条件共同决定了旋流数对氢气预混火焰CIVB回火的影响趋势,即旋流数增加先促进回火后抑制回火。     

后台阶喷氢加喷空气超音速燃烧数值模拟

为了提高带有后向台阶的超音速燃烧室的燃烧效率,提出了一种在氢气喷嘴后加一个空气喷嘴的方法,并且采用雷诺应力湍流模型和有限速率化学动力学模型对这种方法进行了数值模拟研究。计算结果表明:这种方法可以有效地改善氢气与空气的掺混效率,在计算的工况下使燃烧效率从60%提高到了64%;然而随着横喷空气的静压和马赫数的提高,会使燃烧室的总压恢复系数降低,并会使来流空气在台阶尖角处发生分离,接着会在台阶前的横截面产生激波,激波的位置也随着横喷空气的静压和马赫数的增加而前移。     

氢气添加对RP-3航空煤油燃烧特性的影响

为了阐明氢气添加对国产RP-3航空煤油燃烧特性的影响，在定容燃烧反应器中实验测量了初始压力为0.1MPa、初始温度分别为390，420K、当量比范围为0.8～1.5时RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度与马克斯坦长度，分析了掺氢比对火焰发展结构、层流燃烧速度及马克斯坦长度的影响.结果表明:随着掺氢比的提高，在火焰发展过程中，火焰前锋面逐渐出现裂纹或褶皱，火焰的不稳定性逐渐增强；随着混合气当量比或掺氢比的升高，RP-3航空煤油/氢气混合气的马克斯坦长度逐渐减小；当混合气当量比从0.8升高至1.5时，RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度呈现先增加后降低的趋势，当量比为1.2时混合气的层流燃烧速度达到最大；同时，随着初始温度或掺氢比的升高，RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度逐渐升高。      

基于500 Hz OH-PLIF技术的超声速燃烧室火焰结构

针对超声速燃烧室火焰驻留时间短和高湍流度的特点,利用500 Hz高频OH-PLIF(planar laser induced fluorescence)技术,研究了氢燃料超声速燃烧室火焰结构,结合壁面压力,获得了点火、稳焰以及熄火过程的规律。结果表明：隔离段入口来流马赫数为2的情况下,氢气当量比0.1和0.3,在火花塞点火下,2 ms均能点燃并获得PLIF火焰图像,其中当量比为0.1凹槽内存在爆燃现象,火焰达到稳定燃烧状态较慢(约65 ms)。稳焰过程中,当量比为0.3燃烧相对不充分,燃烧区域更靠近下壁面,燃烧位置和火核位置变化较大。当量比为0.1和0.3,熄火时间均在6 ms内,其中当量比为0.1熄火时火焰是从凹腔中部传播到凹腔前缘位置熄灭并伴随有一个短暂火焰增强的过程,并且在传播至凹腔前缘时已接近熄灭,当量比为0.3在熄灭前则是慢慢变弱,最终在凹腔前缘至喷氢位置间熄灭。     

燃油喷射方式对凹腔支板稳定器火焰传播性能的影响

火焰稳定器的火焰传播性能对燃烧效率与燃烧室长度预测非常重要。在实验验证的基础上,采用三维数值模拟的方法,基于凹腔支板稳定器下游的温度分布及离子浓度分布规律,研究了燃油喷射位置、喷射角度及油气比对凹腔支板稳定器火焰传播性能的影响。研究表明,在来流温度900℃、马赫数0.2、值班油气比4×10-3及主流油气比2.8×10-3~6.8×10-3条件下,支板稳定器下游离子浓度分布趋势与温度分布趋势几乎相同,可同时用来预测火焰传播性能;值班供油位置越靠近稳定器前缘越有利于增强火焰传播性能;当主流油气比为2.8×10-3时,主流喷油位置更靠近稳定器前缘或者采用侧喷方式更有利于火焰传播;随着主流油气比增大至5×10-3~6.8×10-3,主流喷油位置远离稳定器前缘及顺喷方式拥有更加良好的火焰传播性能;喷射角度相同时,喷油位置显著影响油气比对火焰传播性能的影响;喷油位置相同时,改变燃油喷射角度,油气比对火焰传播性能的影响相对较小。     

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。     

喷嘴内湍流运动对火焰浮起长度影响的数值模拟

为考虑喷嘴内部湍流运动对燃油雾化和火焰浮起长度的影响,将喷嘴内部的湍流流动以权重的形式加入初次破碎模型中,并对二次破碎模型进行了修正。建立了完整的燃油雾化和燃烧的数学模型。通过与实验数据对比来验证燃油雾化模型的准确性,并讨论了喷嘴内湍流运动对燃油雾化过程的影响。结果表明,湍流运动会加快液滴破碎和蒸发的速率,从而减小燃油蒸气贯穿距。火焰浮起长度的计算采用本文建立的燃油雾化模型,成功计算了火焰浮起长度随氧气体积分数、气体密度、气体温度和入射压力变化的规律。同时发现在不同气体密度和氧气体积分数的工况下,喷嘴内部湍流运动对火焰浮起长度的影响基本保持不变,分别为9%和13%;入射压力和气体温度的升高会导致喷嘴内部湍流对火焰浮起长度的影响逐渐变大。      

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。