基于高速化学发光测量的超声速燃烧室振荡特性统计学分析

为分析超声速燃烧室中的火焰振荡特性,以氢气为燃料,采用高速化学发光测量对两种当量比下凹腔燃烧室中的火焰发光图像进行了采集,时间重复频率为100 k Hz。通过对所采集的图像进行统计学分析,包括时均分析、标准差分析、本征正交分解(POD)分析、剪切层火焰面速度振荡分析,研究了凹腔内燃烧振荡的宏观模式及瞬态特性。结果表明,当量比为0.3和当量比为0.2的工况,火焰均稳定在凹腔内部,且火焰稳定位置和表面积都极为相似,当量比为0.3时在超声速主流区发现明显的火焰信号,分析是由较大的燃料射流形成的弓形激波导致的。POD结果表明,两组工况下凹腔燃烧室中火焰的振荡以凹腔内部流动方向的振荡为主,同时复合了凹腔内部各个回流区与剪切层相互作用的振荡。剪切层的火焰面振荡速度表明,低当量比下火焰在剪切层附近的振荡更为剧烈,平均的振荡速度接近高当量比工况的2倍。     

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。     

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。     

凹腔前后缘圆弧对流场干扰的数值研究

基于两方程k-ωSST模型,对不同半径前后缘圆弧凹腔构型的超声速流场进行了二维仿真,获得了相应的流场特征参数。结果表明,与直角前后缘相比,采用圆弧构型时凹腔后壁的激波得到增强;随着圆弧半径的增加,凹腔内部的速度有所增大,而温度、涡量则呈递减趋势,从稳焰、助燃的角度看,后壁上端压力增大可以促进质量交换,同时降低回流区温度。综合考虑凹腔的稳焰和助燃作用,提出了一个适当的圆弧半径范围。     

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。     

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。     

乙烯-氧化亚氮层流预混燃烧过程研究

采用PREMIX模块模拟乙烯-氧化亚氮(C_2H_4-N_2O)预混体系在0. 1～1. 5 MPa下层流火焰传播速度,得到不同压力和氧/燃比下乙烯-氧化亚氮体系的火焰传播速度、火焰温度和燃烧质量流率变化。同时,采用层流火焰传播测试仪器对乙烯-氧化亚氮预混体系的层流火焰传播速度进行实际测定,通过对比火焰传播速度的测量值与计算值,验证选用模型的准确性和计算方法的可靠性。试验结果表明:所选用的USC机理模型可适应于研究预混气体层流火焰燃烧计算,当量比等于1. 18,压力0. 1 MPa时层流火焰传播速度达到最大值;当量比等于1. 18,压力1. 5 MPa时层流质量燃烧流量达到最大值;当量比为1. 35,压力1. 5 MPa时层流火焰达温度到最大值。     

同轴喷嘴自发激励高频燃烧不稳定性试验研究

为增进对液氧煤油火箭发动机同轴离心喷嘴燃烧不稳定性过程的理解,在大气环境下进行了同轴离心喷嘴的自发激励燃烧不稳定性试验。试验采用单喷嘴敞口模拟燃烧室,高温的氧气和空气混合物从同轴喷嘴的直流喷嘴喷注,高温的煤油蒸气从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注。通过逐步改变氧化剂流量使模拟燃烧室内产生自发激励高频燃烧不稳定性,使用脉动压力传感器和黑白高速相机记录稳定和不稳定燃烧工况下的脉动压力和火焰。研究发现：气气同轴离心喷嘴的自发激励高频燃烧不稳定过程呈现“滞后”现象;不稳定工况下的火焰均为脱口火焰,火焰特征长度约等于喷嘴出口到脱口火焰团上沿的距离;气气同轴离心喷嘴燃烧不稳定性的发生原因可以被认为是因混合特征时间与声学特征时间相关。     

圆形燃烧室支板火箭超燃冲压发动机数值模拟

为了提高大尺寸超燃冲压发动机的掺混燃烧和火焰稳定能力,提出了以中心主支板和支板火箭进行点火和火焰稳定的超燃冲压发动机基本结构,采用轴对称的圆形燃烧室以及小支板和凹腔等混合增强方式,通过包含多步简化动力学的数值模拟方法,研究了支板、凹腔结构与圆形燃烧室的不同匹配关系.结果表明,隔离段中心主支板能有效提高燃料与空气的掺混度...     

燃油分配对超燃冲压发动机的性能影响仿真分析

针对超燃冲压发动机两级燃油分配对内流道流动过程、燃烧模态、发动机性能及调节特性的影响问题,建立了发动机一维流动分析模型;对马赫数6/当量比1,马赫数6/当量比0.6,马赫数4/当量比1三种工况不同的一级/二级燃烧室燃油分配比例下的流动过程进行了仿真,并获得了不同燃油分配规律下的发动机性能.通过分析表明：超燃冲压发动机的两级燃油分配比例直接影响发动机内流道内的流动参数分布、燃烧模态及发动机比冲等性能参数.对于马赫数6/当量比1工况,当一级燃烧室的燃油分配比例为30％～70％时,可在全流道内组织纯超声速燃烧,最高比冲超过800 s;对于马赫数6/当量比0.6工况,即使将所有的燃油均在一级燃烧室喷入,流道也不会壅塞,该工况下最大比冲超过800s;对于马赫数4/当量比1工况,燃烧室内组织亚声速燃烧,最大比冲为1 031.9 s;为保证亚声速燃烧扰动不传递到燃烧室入口外,一级燃油分配比例不应过高.     

台阶和凹腔在固体燃料超燃冲压发动机内自点火性能对比

数值研究了PMMA在固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中的非稳态自点火过程及带台阶或凹腔的燃烧室构型对自点火的影响。数值模型基于求解非定常二维轴对称RANS方程,采用SST k-ε湍流模型,采用有限速率/涡耗散燃烧模型,装药和内流场的耦合传热采用一维导热方程。结果表明,台阶和凹腔火焰稳定器都能实现自点火。带台阶和凹腔的不同燃烧室内自点火过程一致;与采用突扩台阶火焰稳定器相比,凹腔火焰稳定器能够满足更宽的进气条件下的自点火;加入适当长度的凹腔,既可改善点火性能,又可增强总体性能。建议采用凹腔来实现SFSCRJ的自点火。     

乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合的数值研究

以超音速燃烧冲压发动机设计为背景,采用有限体积法,以乙烯为燃料对交错尾部支板和开式凹腔的组合方式及位置进行数值研究。通过组合方式的研究发现,横向组合的凹腔内回流区卷吸作用强于纵向组合;凹腔远离交错尾部支板能促进燃烧火焰扩散,燃烧效率更高,总压损失更小。通过对组合位置的研究,总结出组合位置对燃烧室性能的影响规律,发现凹腔与支板横向组合,凹腔距支板尾缘距离为0.15 m时,总压恢复系数达到最大,燃烧效率也较高。该项研究可为超燃燃烧室设计提供参考。     

支板增强混合超声速燃烧的大涡模拟研究

基于开放源代码软件Open FOAM,建立了三维可压缩反应流动大涡模拟求解器,采用了Pa SR亚格子燃烧模型和27步的氢气-空气反应动力学机理,开展了支板增强混合的超声速燃烧大涡模拟研究,对比了滑移和粘性2种不同壁面边界条件的影响。计算结果表明,不同截面上的平均轴向速度和温度与实验数据吻合良好,较好捕捉了超声速扩散燃烧的火焰空间发展过程。详细讨论了剪切层增长、发展和破碎对燃烧过程的影响,揭示了支板后旋涡脱落与燃烧过程的耦合作用,区分了支板下游亚声速区和超声速区内不同的掺混模式。利用化学爆炸模式分析方法,获取了爆炸化学过程及其特征时间尺度,得到了详细的火焰结构及其稳定机制。     

宽范围变流量空气/液氧/酒精燃烧加热器试验

为了突破空气/液氧/酒精三组元宽范围变流量燃烧加热器可靠点火和稳定燃烧等关键技术,采用一种经过优化的直流喷嘴来组织燃烧,研制了宽范围变流量燃烧加热器并进行了点火试验,研究了其在10倍流量变化范围内的点火特性和燃烧性能。试验结果表明该燃烧加热器在10倍多的流量变化范围内实现了高效稳定燃烧,其中设计点的燃烧效率达到97%。加热器采用新型组织燃烧方式实现了宽范围变工况和低喷注压力下的可靠点火和稳定燃烧,其中加热器点火成功率100%,稳定工作过程中室压波动小于1%。加热器采用等离子点火火焰先进入燃烧室,随后氧化剂、燃料依次进入燃烧室的点火程序合理。     

基于凹腔火焰稳定器的亚燃冲压发动机点火性能研究

通过碳氢燃料亚燃冲压发动机直连式试验,对凹腔火焰稳定器的点火性能进行了初步研究.试验分别在高能火花塞及氰气引导火焰两种情况下成功实现了可靠点火.结果表明,基于凹腔火焰稳定技术的亚燃冲压发动机的点火性能与燃料喷注压降及喷注方式密切相关.在壁面喷注燃料的方式下,发动机容易实现可靠点火,而在中心喷注燃料的情况下,发动机很难被点燃.此外,试验还发现,发动机的喉部尺寸对采用这类结构的哑燃冲压发动机凹腔内的压力影响较小,因此,喉部尺寸的变化对其点火性能的影响也较小.     

RBCC亚燃模态点火及火焰稳定研究(英文)

在直联式燃烧试验台上进行了基于机械壅塞的RBCC亚燃模态点火及火焰稳定研究,试验模拟飞行马赫数为2.5,采用扩张型双模态燃烧室和多级JP-10喷注方式。在主火箭工作的情况下,借助发动机出口机械壅塞的方式实现了点火和火焰稳定。同时发现火焰稳定与乙烯引导火焰无关,出口堵塞比是燃烧室压力提升的一个重要影响因素。研究工作为实现基于热力喉道的RBCC亚燃模态稳定高效燃烧提供了良好的基础。     

偏二甲肼液滴燃烧特性及影响因素实验研究

设计了一套密闭环境液滴燃烧实验系统,开展了不同实验工况下偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)环境中的着火燃烧实验,详细分析了UDMH单液滴着火燃烧特性,考察了燃烧室温度、压力、液滴初始直径及速度对燃烧过程的影响。结果表明,液滴燃烧经历了初始燃烧阶段,剧烈燃烧阶段和熄燃阶段3个过程。其中,初始燃烧阶段和熄燃阶段的持续时间均较长。燃烧过程中,燃烧火焰呈现出明显的双火焰峰结构,内层为规则的椭圆形分解火焰峰,外层为带有尾迹火焰的扩散火焰峰。增加燃烧室温度促使液滴表面与内部的燃料快速蒸发,形成了充足的燃料蒸气环境,有助于液滴的着火燃烧;燃烧室压力的增加加快了反应速度,减少了液滴生存时间;增大液滴下落速度导致液滴表面蒸发流率得到增强,更易产生足够的燃料蒸气,促进燃烧的进行,从而有助于液滴生存时间的减小。     

凹腔结构对圆形超燃冲压发动机燃烧室阻力特性影响

凹腔作为促进燃烧室中燃料与来流混合和稳定燃烧的有效手段之一,其研究已引起人们的广泛关注.采用数值模拟方法,探索了圆形超燃冲压发动机燃烧室阻力特性随凹腔结构参数的变化趋势,同时初步考察了飞行攻角对凹腔阻力特性的影响.研究发现,凹腔摩阻相比压阻很小,凹腔时燃烧室的阻力特性主要体现在其压阻上;随着后掠角的增大,热试和冷流状态...     

突扩燃烧室在准稳态假设下的熄火过程对比分析

在准稳态假设条件下,运用数值模拟方法对火焰的边区驻留与旁侧驻留的两种突扩类型的亚燃冲压发动机燃烧室的熄火过程进行了分析。通过改变燃烧室进气流量和燃油当量比,对比分析了燃烧室在向熄火的压力下限和贫、富油边界转变过程中的流场特征和火焰形态变化。研究显示,中心突扩燃烧室在压力和燃油浓度下降过程中,熄火过程中表现为火焰锋面的中心收缩;旁侧突扩燃烧室则表现为突扩截面内温度的差异,以致火焰稳定功能的丧失。