超临界RP-3航空煤油喷嘴内部流动与相变特性研究

未来航空燃气轮机采用燃油作为冷却剂,对发动机冷却空气及热端部件进行冷却,使得燃油在进入燃烧室之前超过其热力学临界点,燃油的热力学性质发生巨大变化,将对燃油在喷嘴内的流动和喷嘴下游的喷射掺混过程产生重要的影响,因此有必要对超临界RP-3在喷嘴内的流动与相变特性展开研究。本文采用自主设计的喷嘴内部收缩通道模拟试验件,对超临界RP-3在喷嘴内的沿程压力分布进行测量,并采用基于一维等熵假设的计算方法进行数值模拟。试验首次获得了超临界航空煤油RP-3在喷嘴收缩通道内的沿程静压分布随喷射压力、温度变化的规律。通过与模型对比,发现未发生相变时,计算结果与试验值拟合精度较高,可以较好地预测RP-3在喷嘴内的流动参数,喷嘴内的静压分布也趋于一致;发生冷凝相变时,计算结果与试验值产生误差较大,喷射参数对于静压分布存在着较大的影响。本文试验获得的超临界RP-3航空煤油在喷嘴内的流动与相变特性,为航空发动机超临界RP-3喷射的喷嘴设计提供了重要的设计依据。     

再生冷却超燃冲压发动机传热计算分析与试验

为了计算评估再生冷却超燃冲压发动机的传热特性,并确认计算结果可信,结合固壁三维热传导方程、三维燃气流场计算软件平台和燃油物性计算程序,发展了能对再生冷却超燃冲压发动机进行三维热分析的计算程序;将水冷和油冷通道传热试验、再生冷却超燃冲压发动机传热试验和燃油冷却面板传热特性试验的测量值与计算数据进行对比研究,计算结果与测量值符合较好。     

燃油冷却面板传热特性试验与计算分析研究

采用热电偶测温、气壁红外测温及燃油样品裂解度测量等多种手段,在DJ-21电弧加热器上进行了燃油冷却面板传热特性试验。进行了共计19次燃油冷却面板传热特性试验,试验高状态对应平均热流为1.6MW/m2,低状态对应平均热流为1.1MW/m2;用于冷却的燃油质量流率为1.84～5.8g/s。为了反映冷却面板热流密度分布,以喷管三维流动计算结果作为输入条件,将计算得到的热流密度与试验测量的冷壁热流密度比较,用以确定流场计算方案、流场切取方案和热流密度计算方案。发展了冷却面板稳态准三维热分析程序,将等效热流对应的冷壁对流换热系数和燃气总温作为高温燃气侧的边界条件。使用热分析程序完成了相应的计算。通过试验与计算数据对比研究,表明热分析计算的可信性。试验验证了冷却面板的设计与加工是可行的。     

航空发动机主燃烧室燃油总管流动换热特性研究

为优化发动机燃油管路设计并预防燃油结焦,对发动机典型工况下燃油总管和分管内部流动进行了数值研究,给出了速度和压力分布情况。对由于热气流的加热作用引起的燃油温升效应进行了传热计算。对总管及分管进行了热防护设计,并比较了不同热防护措施的隔热效果。结果表明:在计算工况下,油管出口质量流量满足设计要求;内外混合隔热方式可有效降低燃油温升,减小燃油过热引起结焦的可能性。提出了改善管内流动与换热特性的措施,例如增加空气隔热层,为恶劣热负荷条件下燃油管路热防护设计提供理论基础。     

航空发动机燃烧室喷嘴内燃油传热特性的数值研究

采用数值模拟方法,研究航空发动机燃烧室喷嘴内燃油的传热特性:使用三维建模软件对喷嘴进行精细的几何建模,喷嘴模型包括旋流器叶片和隔热套管等细节特征;采用商业CFD软件对比研究不同喷嘴内燃油的传热特性,确定喷嘴隔热套管的隔热效果。结果表明,在所给工况条件下,隔热套管能减少喷嘴杆部温升约50%,对主油路温升的抑制作用随着主油路流量的增加而逐渐减小,对副油路燃油温升的抑制作用比较明显且基本不随主油路流量变化。工程算法和数值模拟计算的喷嘴出口燃油温度之间相差明显。     

燃油附件耐火试验温度场数值模拟与验证

为了准确预测耐火试验过程中航空发动机燃油附件的热场分布,提出了1种等效火焰建模方法建立相应的流固耦合传热模型,并对着火条件下试验件的工作特性进行数值模拟,分析了流动传热的机理,得到3维计算域的稳态温度场分布。对该试验件开展着火验证试验,监测了局部温度参数。仿真与试验结果的对比分析表明:仿真所得热场结构分布合理,局部温度值与试验结果吻合较好,该方法能准确地模拟火焰与试验件间的传热特性,可为航空发动机燃油附件的耐火设计提供参考。     

喷嘴防积碳结构对燃油分布的影响

针对航空发动机双油路喷嘴,采用试验和数值计算方法研究了不同防积碳结构对燃油分布的影响。采用光学分布式喷雾检测系统进行燃油分布测量试验,获取了不同防积碳喷嘴出口下游20 mm截面的锥角、周向分布和径向分布;并采用volume of fluid(VOF)仿真方法对不同防积碳结构的喷嘴进行了数值仿真研究。结果表明：相同供油压差下,喷嘴匹配防积碳结构后,喷雾锥角和燃油径向分布的峰值半径减小,小半径区域燃油分布占比升高。计算结果与试验结果符合较好,有效解释了防积碳气流对喷嘴燃油分布的影响。同一工况下,喷嘴匹配不同防积碳结构时,锥角的大小与喷口端面中心孔的气流速度相关,而周向分布主要与气液比相关。     

PDPA在燃油雾化特性实验中的应用

为了加深对燃油喷嘴雾化特性的研究，通过先进设备来研究雾化质量，从而为喷嘴的研究和设计提供实验依据，这种研究具有重要现实意义。介绍相位多普勒激光测速仪测试原理以及燃油喷嘴雾化实验过程，通过对燃油涡流喷嘴在不同压力下雾化特性的测量，得到了喷嘴雾化直观的试验结果，从而为喷雾特性的理论研究提供试验验证。     

船用柴油机多孔喷嘴的喷雾不一致性及其对发动机性能影响的分析

由于柴油机多孔喷嘴加工偏差、针阀抬起过程产生的抖动以及喷嘴内部的空穴现象等原因,各孔燃油喷射存在不一致的情况。为了探究多孔喷嘴各孔燃油喷射差异对大缸径船用柴油机喷雾、燃烧及缸内热负荷的影响,本文以某高压共轨船用柴油机为研究对象,通过定容弹喷雾试验研究了高压共轨喷油器多孔喷嘴各孔喷雾发展的不一致性,并基于喷雾试验结果,通过CFD仿真研究了各孔喷雾不一致性对柴油机燃烧、性能及缸内热状态的影响。结果表明,在针阀抬起过程,各孔喷雾贯穿距存在明显差异,各孔喷雾贯穿距离散系数在3%~40%之间,且随着针阀抬起离散系数逐渐减小,在针阀完全抬起后,各孔喷雾贯穿距基本一致,各孔喷雾贯穿距离散系数在5%以下;各孔喷雾不一致会导致各雾束的早期燃烧存在明显差异,对缸压、油耗、放热率、缸内平均温度、NOx和Soot排放影响很小;各孔喷雾不一致会加剧活塞、缸盖、缸套的局部热负荷,同时会导致高温燃气向缸套的总体散热量增加9.1%,而活塞、缸盖总散热量不变。     

某重型燃气轮机压力雾化喷嘴性能试验研究

研究了某重型燃气轮机燃油喷嘴特性。通过全面试验,得到了该喷嘴组的供油特性、喷雾锥角的变化特点和液滴尺寸及其分布规律;对雾化粒度试验数据进行了拟合,得到了SMD与供油压力的简明关系,基本可以代表该喷嘴组的雾化质量。     

Oxygen concentration variation in ullage influenced by dissolved oxygen evolution

To determine the oxygen concentration variation in ullage that results from dissolved oxygen evolution in an inert aircraft fuel tank, the CFD method with a mass transfer source is applied in the present study. An experimental system is also designed to evaluate the accuracy of the CFD simulations. The dissolved oxygen evolution is simulated under different conditions of fuel load and initial oxygen concentration in ullage of an inert fuel tank with stimulations of heating and pressure decrease. The increase in the oxygen concentration in ullage ranges from 0.82% to 5.92% upon stimulation of heating and from 0.735% to 12.36% upon stimulation of a pressure decrease for an inert ullage in the simulations. The heating accelerates the release of the dissolved oxygen from the fuel by increasing the mass transfer rate in the mass transfer source and decreasing the pressure, thereby accelerating the dissolved oxygen evolution by increasing the concentration difference between the gas and the fuel. The time constant that represents the oxygen evolution rate is independent of the initial oxygen concentration in ullage of an inert tank but depends closely on the fuel load, temperature and pressure. The time constant can be fitted using a polynomial equation relating the fuel load to temperature in the heating stimulation with an accuracy of 4.77%. Upon stimulation of a pressure decrease, the time constant can be expressed in terms of the fuel load and the pressure, with an accuracy of 5.02%.     

超临界压力下航空煤油RP-3壁面结焦特性对换热的影响

研究了超临界压力下航空煤油(RP-3)在微细管内流动过程中结焦对换热的影响规律.实验中系统压力保持为5MPa,燃油质量流量为3g/s.燃油溶解氧达到饱和,实验段进出口油温分别为127℃和450℃,实验时间为60min,并利用“称质法”获得煤油结焦量.结果表明:由于壁面结焦的差异使得换热特性沿实验段可分为3个区域:进口低温段的传热稳定区、结焦峰值处的传热恶化区和出口高温段的短期强化区.进口低温段结焦量较少,对换热的影响可以忽略;结焦峰值处由于其结焦迅速且量大致使管内传热热阻突增,传热系数下降36.1%故出现传热恶化;高温段出现短期强化是由于结焦微粒附着于管壁,增加了其粗糙度而导致近壁面处流体湍动能增大以及由于近壁面高温区域煤油裂解结焦而产生化学吸 热量,进而强化换热.随着时间的推移,结焦量不断增多,结焦热阻增加的效应抵消并超过以上两种因素的影响,因此又出现传热恶化.      

风兜面积对气冷喷油杆性能影响的数值研究

以某型涡扇发动机加力燃烧室气冷喷油杆为研究对象,在梯形截面的风兜下底和高度不变的情况下,通过改变上底长度得到一系列不同风兜面积的几何模型,综合考虑外流场对气冷喷油杆内部流动和换热特性的影响,对其在巡航状态下进行了流/热/固耦合三维数值模拟研究,获得了不同风兜面积对气冷喷油杆引气率、冷却空气喷口流量分布、壁面平均冷却效果、壁面最高温度的影响规律.结果表明:引气率随风兜面积增大线性增大;喷油嘴凸台周围冷却空气喷口的流量沿气冷喷油杆内冷却空气流向呈二次曲线规律变化,且随风兜面积增大分布趋于均匀;随风兜面积增大,喷油杆、隔热套壁面平均冷却效果线性增大,壁面最高温度降低;有效抑制内涵高温燃气倒灌进入隔热套是避免喷油杆局部高温的关键.      

中心分级燃烧室主燃级设计参数的试验研究

为研究中心分级燃烧室的主燃级设计,本文设计了多个主燃级方案,并在单头部燃烧室试验件上开展试验研究。试验结果表明：燃油飞行时间对燃烧效率影响最大,喷点个数和旋流数对燃烧效率也有一定的影响,级间距对燃烧效率的影响主要体现在小状态;级间距、喷点个数对NOx排放影响最大。在本次研究的试验方案中级间距变化对燃烧稳定性的表现有明显的影响。     

直流电弧喷射等离子体炬阳极喷嘴积碳现象的研究

采用高功率直流电弧等离子体喷射化学气相沉积工艺,制备了不同厚度的自支称金刚石厚膜.实验发现,等离子体炬阳极喷嘴积碳是沉积过程中最突出的问题之一.从理论和实验两个方面研究了阳极积碳产生的原因,并通过激光拉曼光谱分析了碳球的结构和成分.结果表明,碳球由金刚石层、混合层和最外面的石墨层构成.详细分析了甲烷浓度、冷却水温度、放电电弧的局部高温、阳极喷嘴的表面质量对积碳形成的影响,并提出了改进措施.     

多种气膜冷却形式下轴对称矢量喷管壁温计算研究

航空发动机矢量喷管的冷却结构设计是研究矢量推进技术应用的关键问题之一。针对某偏转20°轴对称矢量喷管隔热屏采用的十种气膜冷却结构,建立基于壁面传热的热平衡方程,采用牛顿-拉斐尔森迭代法得出十种冷却结构下壁面及隔热屏的温度。其中气膜冷却采用有效温比经验公式计算,燃气辐射采用封闭腔净辐射分析法计算,并把本文计算的壁温与文献结果进行对比分析。结果表明:隔热屏对喷管收敛段有很好的冷却作用,采用气膜冷却可显著降低其温度;相对于受隔热屏保护的收敛段而言,喷管扩张段的受热形势较为严峻,温度更高,其冷却有待加强。     

二维塞式喷管再生冷却换热的数值模拟

为了解塞式喷管再生冷却的换热特性 ,建立了二维型面塞式喷管计算模型 ,采用数值模拟的方法 ,研究了不同工况下塞式喷管的流场和换热特性。计算中 ,假定塞式喷管中的流动为冻结流动 ,考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热 ;采用二阶迎风格式离散控制方程 ,及 DO( Discrete Ordinates)模型离散求解辐射换热方程 ,水蒸气的吸收系数根据 Leckner公式计算。计算结果表明 :内喷管的受热情况最严重 ,需要重点考虑 ;塞锥的热防护随工作状况而改变 ,地面工况下塞锥的受热最严重 ,随着压比的升高 ,塞锥的受热逐渐减轻 ,最后不随环境压强而改变 ;塞锥型面设计不合理致使塞锥出现很高的温度峰值      

三氧化二铝沉积层厚度随时间变化的传热理论解

本文根据传热理论建立了固体火箭发动机喷管三氧化二铝沉积规律的数学模型,并求得了喷管壁内和沉积层内的温度分布。又根据沉积层厚度的定义确定了沉积层厚度随时间变化的解析解。数值计算结果与实验的比较表明,理论计算得到的基本规律和实验相符。