壁面孔型对超声速气流中喷注特性的影响

超声速气流中,燃料与来流空气的高效混合是燃烧室实现点火、稳焰及高效燃烧组织的前提。国内外研究者已对比研究了不同壁面孔型对超声速气流中喷注、混合特性的影响,相比于最常见的圆形喷孔,菱形、楔形-半圆、箭形及针形等喷孔用于超声速气流燃料喷注时,不仅有利于降低喷孔前缘边界层的分离,而且也有利于提升射流穿透深度;相比于单孔喷注,组合型喷孔能进一步增强燃料与来流空气在射流远场的混合效果。通过综述各型喷孔的喷注特性,分析提出了适用于超声速燃烧组织的壁面喷注孔型及其工程应用条件。     

壁面组合孔喷注增强混合研究

为增强超声速气流中壁面喷注的燃料射流与气流混合,提出了一种壁面组合孔喷注方式.通过对单孔及组合孔喷注方式燃料射流流场仿真结果的对比分析发现,采用壁面喷注孔喷注燃料时,燃料射流与来流的混合过程在射流近场穿透深度起主导作用,而在射流远场涡则起主导作用.计算结果表明,采用壁面组合孔喷注氢气时,燃料射流增强了流场展向涡量,从而在射流远场获得了更好的射流与来流混合.     

超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程数值研究

采用Euler-Lagrange方法对来流马赫数为1.94的超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程进行数值研究。计算给出的射流穿透深度、液滴Sauter平均直径(SMD)及液滴速度分布均与实验吻合较好。仿真结果较详细地揭示液体射流喷雾与气流之间的强烈相互作用过程。受液雾影响,射流前形成较强激波,气流依次经过激波及液雾区域,气流速度存在两次下降过程。计算结果揭示,超声速来流可以与射流的液滴轨迹相交,气流经液雾前沿进入液雾区域后,流向往壁面偏折。本文首次发现并提出,由于气液相互作用诱导形成两组反向反转漩涡对,这对于理解两相混合过程具有重要意义。气液相对滑移速度的分析表明,液滴在穿透自由来流并开始转向时受气流作用最为显著,完成转向后气液相互作用逐渐减弱。     

当量比对超声速燃烧室性能影响的数值研究

采用欧拉-拉格朗日法在来流Ma=2的条件下,对带支板凹腔组合结构的煤油超燃燃烧室的内流场进行数值计算,分析了燃烧室下游支板不同当量比对燃烧室燃烧流场的影响,并对燃烧室的性能做了定量分析。研究表明,随下游支板燃料当量比增加,燃烧反压对燃烧室上游影响加重,流动分离区扩大,上游燃料发生亚声速燃烧状态,且亚声速燃烧区域变大。在支板和凹腔共同作用下,凹腔后方形成了亚声速燃烧区和超声速燃烧区,当量比增加时超声速燃烧区减小,亚声速燃烧区扩大,从而有利于燃料的充分混合和燃烧。随当量比增加,燃烧室总压恢复系数和推力增加,燃料消耗率和比冲量减小。     

RBCC燃烧室超声速反应混合层特性的大涡模拟

以飞行马赫数为4.5Ma的RBCC发动机典型工作状态为研究背景,采用大涡模拟研究了支板火箭射流和空气来流形成的超声速反应混合层的掺混燃烧过程,获得了燃烧室内详细的流场结构和流动特征,分析了强射流条件下超声速反应混合层的特性。结果表明由于速度梯度的存在,火箭射流进入燃烧室后与空气来流形成环形剪切层,剪切层内丰富的旋涡结构主导火箭射流和空气来流的掺混燃烧,随着湍流能量的串级输运,化学反应过程中释放的能量将被转化成细观尺度的湍流动能,大尺度旋涡将能量传递给小尺度旋涡并最终耗散,细小尺度的旋涡一方面能够促进燃烧反应物的掺混并强化燃烧过程,另一方面会给化学反应过程带来强烈的脉动,使得局部火焰淬灭,火焰结构表现出明显的非定常性。     

火箭发动机超声速过膨胀射流气动噪声特性研究

采用大涡模拟LES方法计算了火箭发动机超声速过膨胀射流形态及近场声压分布,研究了入口温度与环境温度的比值(温度比)对声场的影响;将声源分解,基于Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程获取了不同位置噪声源的远场噪声,并根据声压级频谱和湍流形态分析了超声速射流噪声的产生机理。研究表明,超声速过膨胀射流气动噪声由湍流混合噪声和宽频激波噪声组成,近场噪声源以马赫波形式向大方位角辐射中高频噪声,下游大尺度湍流向低方位角范围辐射低频噪声,声压级峰值频率随观测角度增大而升高;随温度比升高,马赫波辐射角度增大,噪声指向性发生改变。该研究可为运载火箭发动机地面试车或火箭发射段声学环境设计提供参考。     

混合室对零二次流环形超声速引射器性能的影响

采用二维轴对称雷诺平均方程和Spalart-Allmaras湍流模型,研究了不同混合室结构对零二次流环型超声速引射器的流场结构、盲腔真空度和引射器出口总压力等性能的影响,较好地模拟了引射器内由激波、边界层干扰诱导的复杂流场特性.结果表明,在收敛混合室前端增加适当长度的平直段可大大提高零二次流环型超声速引射器的性能.     

超声速燃烧不稳定性研究进展

对超声速燃烧不稳定性这一新兴领域的研究进行了综合评述，并对未来研究进行了展望。首先分析了超声速燃烧不稳定性现象的基本特性及其影响因素；随后讨论了超声速燃烧不稳定性的多种机理；接着概括了基于上述机理的超声速燃烧不稳定性建模；最后对超声速燃烧不稳定性还需重点研究的方向给出建议。综述表明，超声速燃烧不稳定性的现象、机理和建模都还需持续开展研究，特别需要关注的是燃烧室构型布局和燃料喷注方式对超燃冲压发动机燃烧不稳定性现象的影响，在超声速混合层和射流等典型流动中更深入探索超声速燃烧不稳定性机理，基于超声速燃烧系统的湍流时空演化特性进一步发展超声速燃烧不稳定性模型。     

喷管尺寸对超声速喷流噪声影响研究

为研究喷管尺寸对超声速喷流噪声特性的影响及其声场分布规律而设计了冷流实验系统,选用3种不同尺寸的喷管,采用LMS数据采集系统及噪声处理软件,对不同喷管尺寸、不同来流压强下的喷流噪声进行了采集和处理.实验结果表明,超声速喷流噪声具有较强的指向性,随着测点偏离喷流中心轴线角度从30°增加到180°,其声压级峰值逐渐减小,峰...     

来流状态对超声速气动斜劈诱导爆震起爆过程的影响

超声速斜爆震热射流起爆特性受到气流状态参数的影响。针对低速持续热射流,采用高速激光纹影技术和压力传感器测压技术,研究低速热射流预混气来流当量比、温度和速度等状态参数的影响。实验发现,当量比对起爆过程的影响具有一定的随机性,但一般情况下,当量比的增加,有利于爆燃向爆震转变(Deflagration toDetonation,DDT)过程;提高来流温度,将缩短DDT时间,有利于起爆;而提高来流速度,则将阻碍剪切层发展,导致混合效果变差,不利于起爆。     

激波风洞边界层强制转捩试验研究

针对升力体模型设计了涡流发生器,在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)Φ2 m激波风洞上开展风洞试验,研究了高超声速边界层强制转捩问题。试验来流名义马赫数分别为10、12,单位雷诺数分别为2.4×10~/m、2.1×10~6/m,模型攻角10°。试验中应用铂薄膜热流传感器技术和温敏热图(TSP)技术测量了模型表面热流,证明涡流发生器实现了模型边界层强制转捩,使Φ2 m激波风洞拥有了模拟高马赫数低雷诺数湍流边界层的能力。试验结果表明,不同形状不同高度涡流发生器对边界层完全转捩成湍流后的热流影响不明显,由此可提出一种新的激波风洞试验方法,即利用涡流发生器开展相同来流条件下不同边界层流态对模型表面热流等边界层参数分布影响的试验研究。     

固体火箭发动机燃气射流流场和声场数值计算

燃气射流噪声是固体火箭发动机工作过程中的主要噪声源之一,射流流场的参数对其产生的射流噪声有重要影响。通过大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟,随后在合适的声源面中,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了燃气射流噪声声压级的空间分布。计算结果表明,随着喷管尺寸增大,超声速射流核心区变大,喷口流场波节数增加,对喷管尾流场的影响域扩大,其产生的射流噪声也增强;燃气射流噪声辐射有较强的指向性,在射流轴向30°角方向噪声声压级最大,与相关文献中的试验结果比较吻合。研究结果可为后续固体火箭发动机降噪设计提供参考。     

悬臂斜坡喷注器流场结构与混合特性

为了探索高马赫数下激波诱燃冲压发动机前体/进气道燃料/空气混合的精细流场结构和混合增强机理,采用隐式方法,对悬臂斜坡喷注器进行了三维RANS仿真,得到了喷注器流场的精细结构。仿真结果表明,由于斜坡的作用,流场中产生了激波、膨胀波、流向旋涡等现象。气流经过斜坡时产生了斜激波,并在斜坡边缘处发生膨胀;斜坡侧壁附近在压差的作用下产生了流向旋涡,流向涡在向下游发展过程中卷吸空气,从而增强了混合,但斜坡的存在加大了流场的总压损失。     

排气液化发动机高速液化装置研究

为简化涡轮排气液化发动机蒸汽液化装置的结构、缩小体积，提出了基于超声速汽液两相流升压原理的水蒸气液化方案，建立了考虑多因素的数学方程式，讨论了水蒸气喷嘴段结构参数、混合室参数、扩压段参数和混合室阻力等对升压能力的影响。计算结果表明：收敛-扩张式升压液化装置的升压系数大于3。     

具有反应流的固体冲压式火箭 发动机侧向进气道排放燃烧室的研究

固体冲压式火箭发动机是冲压发动机的一种变种。本研究使用一个带侧向空气道的排放燃烧室。考虑反应流,在燃气发生器中装填了50％高氯酸铵和50％聚酯的富燃推进剂。将κ—ε联立方程描述的湍流模型和一个简单、一步、快速反应的化学动力学总合成椭圆型偏微分方程来描述流场。为了适合所研究的问题,由改进的TEACH计算机程序来求解。基于此分析,更加深入地了解到混合和燃烧对固体冲压式火箭发动机全部性能的影响。将侧向空气进气道的位置移向燃料进气道,减少侧向空气进气道的角度,以及增加空气对燃料的比例,都能改善混合和燃烧特性,提高固体冲压式火箭发动机的比冲,这与Vanka的分析结果和Schadow的试验数据定性地一致。     

高马赫数飞行条件下超燃冲压发动机燃烧组织方案数值模拟

针对高马赫数飞行条件下(Ma=8,其中燃烧室内流马赫数为3.88)超燃冲压发动机燃烧组织方案的优化问题,采用三维可压缩雷诺平均(RANS)数值模拟方法对采用不同燃料喷射角度和凹腔后倾角的燃烧方案进行了数值模拟研究。结果表明：高马赫数下燃烧主要集中在凹腔和燃烧室近壁区,随着燃料喷射角度的增大,燃烧反应更加剧烈;增大燃料喷射角度和减小凹腔后倾角能提高混合效率,从而提高燃烧效率,燃烧也更充分,但是燃烧引起的总压损失也会相应地提高;高马赫数条件下发动机内流阻力很大,大约是发动机净推力的7～8倍,而增大喷射角度和减小凹腔后倾角有利于提高发动机的推力性能,其中采用135°的逆向燃料喷入方案获得的正推力最大,此时燃烧位置相对靠前,有利于燃烧室设计尺寸的小型化。     

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。     

火星进入器作强迫震荡运动壁面脉动压力数值模拟

为研究超声速阶段进入器作强迫震荡运动对壁面脉动压力环境的影响规律，本文耦合进入器刚体运动方程与流体力学方程，采用动网格技术，对火星进入器模型开展非定常数值模拟，获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在超声速阶段，进入器作强迫震荡运动诱导的脉动压力远大于进入器保持相对静止时仅由非定常流动诱导的脉动压力。来流马赫数为1.2时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波影响较小，脱体激波强度较弱且形态变化较小，攻角的震荡导致同一测点距离脱体激波的位置发生周期性改变，舱体迎风面及配平翼迎风面的脉动压力环境主要受攻角变化的影响；来流马赫数为3时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波的影响较大，脱体激波震荡剧烈，诱导舱体迎风面及配平翼迎风面产生极其恶劣的脉动压力环境，功率谱分析表明激波震荡诱导的脉动压力能量主要集中在30 Hz左右。     

高过载下固体发动机内Al2O3粒子运动状况的数值模拟

针对φ127 mm、φ315 mm试验发动机及大长细比发动机工作状态和结构特点,开展了燃烧室内三维两相流流动数值模拟,分析了横向和纵向加速度载荷对各种发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响。计算结果表明,不同轴向、横向过载对粒子的聚集位置、聚集浓度、冲击角度、速度有很大影响,轴向过载不变情况下,随着横向过载增大,粒子冲击速度减小、冲击角度增大、冲击位置前移,但粒子聚集浓度变化规律与轴向过载大小有关;药柱结构对发动机内粒子聚集也有很大影响,不同的药柱结构,过载的影响规律不同。     

火星进入器壁面脉动压力环境数值模拟

为研究跨超声速阶段来流马赫数、来流攻角及配平翼展开角的变化对进入器壁面脉动压力环境的影响规律，本文采用脱体涡方法对火星进入器模型开展非定常数值模拟，获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在跨超声速阶段，进入器壁面脉动压力环境随马赫数的增加而趋于减缓。配平翼迎风面分离区受脱体激波影响明显，当来流马赫数较小时，可压缩效应较弱，分离区涡流运动剧烈，诱导的脉动压力环境较强；随着来流马赫数的增加，脱体激波对分离区抑制作用增强，分离区运动受到限制，诱导的脉动压力环境趋于平缓。此外，随着来流攻角增加，配平翼迎风面上再附点的位置向翼根方向转移，从而使翼根处的脉动压力环境趋于恶劣。当配平翼展开180°时，分离区再附点位置基本固定，配平翼迎风面脉动压力环境得到一定程度的减缓。功率谱分析表明，在配平翼迎风面上诱导的脉动压力能量主要集中在中低频区域。