碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验，使用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）观测了煤油和OH的分布，结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内，随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内，主要分布在下壁面附近的流场中，燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用，进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物，使得火焰基底能够稳定在剪切层内，并以相对固定的角度向主流流场中传播。     

纯净空气来流下的超声速燃烧实验装置及其初步实验结果

采用电阻加热的连续式实验设备,在燃烧室进口气流为高温纯净空气、马赫数Ma=2、总温Tt=1000K,总压Pt=0.8MPa条件下,进行了不同当量油气比的氢和乙烯燃料的超声速燃烧室直连式实验.采用从壁面垂直于主流喷射燃料和以氢作为先锋火焰,实现了乙烯燃料的可靠点火和稳定燃烧.实验测量了燃烧室的壁面压力、空气流量、燃料喷射压力、喷管进口总温等参数,并拍摄了燃烧室出口火焰.本文实验采用的电阻加热设备具有实验介质无污染、稳定运行时间长、工作性能稳定、成本低、操作简单等优点,其主要部件电阻加热器出口的最高温度可达600~1000K,对应的流量为1.5~0.73kg/s、加热器功率为750KW.     

煤油-氢双燃料超声速燃烧点火特性研究

煤油 氢双燃料的超声速燃烧室中的自点火和燃烧稳定特性在直联式试验装置上进行了实验研究。实验空气总温 1 650～ 1 980K ,总压基本保持在 1 .8MPa左右 ,燃烧室进口M数为 2 .5。用激光粒度仪测量了在加压下煤油的雾化程度。为了寻找能点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比 ,设计加工了四种不同构型引导火焰与凹稳焰一体腔结构 ,利用氢引导火焰局部地加速煤油的化学反应和凹腔的联合促进作用与优化结合 ,发现在没有强迫点火能源条件下点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比能降低至 0 .0 3。燃烧室的性能用简化的一维计算机程序SSC - 3作了初步估算。在长度 42 5mm的燃烧室中获得了煤油的燃烧效率 50 %。引导火焰凹腔一体化结构对点火特性和性能的影响作了讨论     

Ma4下超燃发动机乙烯点火及火焰传播过程试验研究

在直连式脉冲燃烧设备上,开展了模拟Ma4,总温935K 来流参数下的超燃发动机乙烯点火试验。试验利用了火炬点火器和引导氢气的辅助点火方式,实现了乙烯的点火和稳定燃烧。结合壁面压力测量、高速摄影和数值模拟方法,分析点火及火焰传播过程发现:(1)在现有的注油方式下,回流区有利于点火,剪切层和凹槽后部是稳焰的主要区域;(2)点火成功后,影响凹槽稳焰的主要因素为燃料与氧化剂的浓度,剪切层内和凹槽后部持续卷吸氧化剂,因而能够维持稳定的燃烧;(3)凹槽下游注入的燃料发生燃烧造成流道一定程度壅塞,是提升燃烧室压力水平的重要原因,但该处的燃烧不能够稳定,引起燃烧室内压力的振荡,而导致该处不稳定燃烧的2个主要因素为变化的氧含量和较高的流速。     

乙烯高速射流点火过程试验研究

为了研究超燃冲压发动机燃烧室流动状态下的富燃燃气点火过程，设计建立了一套用于研究高速乙烯射流在富燃燃气中点火过程的高温同轴射流试验装置。试验研究了伴流当量比1.4和1.6，乙烯射流喷注压力2×105Pa和3×105Pa参数下的点火过程，试验过程中乙烯射流均能实现稳定燃烧。结合高速摄像机和后处理分析点火过程发现:（1）乙烯高速射流在富燃燃气中的点火过程主要分为4个阶段:（a）主流和伴流掺混；（b）主流和空气发生剧烈化学反应；（c）火焰在下游发生局部熄火；（d）火焰达到稳定状态。（2）伴流当量比1.4比伴流当量比1.6更有利于高速流动下的点火。（3）乙烯射流速度的增大会导致不充分燃烧，火焰亮度变弱。     

基于内窥火焰传感器技术的超声速燃烧感知实验研究

高动态频响传感器及作动机构是高性能控制系统FADEC的关键技术之一。开发了一种基于被动火焰自发光谱的内窥式光纤火焰传感器进行光学诊断,初步验证了光纤火焰传感器数据的燃烧过程感知价值。基于中国科学院力学研究所的直连式超声速燃烧实验台,模拟了来流总温1475 K、总压1.68 MPa、马赫数5.6的发动机工作状态。在不同当量比和动量通量比条件下,使用新开发的内窥式光纤火焰传感器,测量了以CH*表征的燃烧释热率和以C₂*/CH*表征的局部当量比。结果表明:内窥式光纤传感器可感知燃烧室释热率的时空演变特性;内窥式光纤传感器可感知频域燃烧振荡特性,实验表明燃烧过程可能存在展向的热声振荡现象;内窥式光纤传感器C₂*/CH*光信号可感知局部当量比的时空演变特性,结合CH*光信号可应用于混合场与燃烧场关联性的研究;局部火焰质心位置的统计特征表征了剪切层稳焰模式和射流尾迹稳焰模式。     

超声速燃烧室等离子体点火实验研究

针对超燃冲压发动机在较低飞行M数(M0≤4)下的起动点火问题,利用氢氧燃烧加热脉冲风洞,在超声速燃烧室进口M数M=2、总温T0=960K条件下,分别采用等离子体点火器+先锋氢燃料和大功率等离子体点火器,探索了在超声速燃烧室中,实现煤油点火和稳定燃烧的方法.采用等离子体点火、凹槽火焰稳定器和从壁面喷射燃料方式,实现了煤油的可靠点火和稳定燃烧.研究表明,在燃烧室进口M=2、总温T0=960K时,采用大功率等离子体点火器,不需要先锋燃料,可以直接点燃煤油.     

本生灯法结合纹影技术测量甲烷/空气层流燃烧速度及流场分析

层流燃烧速度是确定燃烧传播模型和验证化学反应机理的关键参数。搭建了本生灯实验系统和纹影实验系统用于探究甲烷预混层流燃烧特性，通过本生灯法和纹影技术测得了甲烷/氮气/空气的层流燃烧速度和火焰外部流场，并且探究了当量比及氮气掺混对层流燃烧速度和火焰外部流场的影响。研究发现，当量比对甲烷层流预混火焰燃烧特性有着重要的影响，随着当量比的增加，层流燃烧速度先增大后减小，锥形火焰高度先减小后增加，火焰外部流场开始逐渐趋于稳定；氮气掺混对层流燃烧速度起着降低的作用，且掺混的氮气越多，层流燃烧速度降低幅度越大；掺混氮气后火焰高度增加，但是火焰外部流场变得更加紊乱，难以稳定。     

三头部燃烧室点火过程中火焰传播特性研究

为了探讨三头部燃烧室点火过程中的火焰传播特性,建立了矩形模型燃烧试验系统,开展了流动与点火过程中火焰传播特性、当量比对周向点火过程影响规律的研究。研究表明:初始火核主要在中心回流区边界形成,其传播过程具有阶段性,先顺流线方向进行传递,待燃烧强度增大到一定值后,火焰才开始向其他区域延伸;在相同压损下,当量比减小会使得燃烧室周向点火时间增加,主要为初始火焰发展阶段时间增加,当量比由0.89减小到0.6时,周向点火时间由33.5 ms增加到42 ms,流动加速系数由1.75增加到3.77,即随当量比减小,湍流褶皱等流动因素对火焰传播的加速效应增大;在初始火焰的发展阶段,气体热膨胀效应对火焰传播加速效应占主导作用。     

回流燃烧室流动、火焰及点熄火过程研究

回流燃烧室与直流燃烧室不同,结构复杂,为了研究回流燃烧室内的流动以及燃烧特性,采用粒子图像测速仪（Particle image velocimetry,PIV）测量对其冷态流场开展研究,通过火焰自发辐射手段得到了燃烧室火焰结构以及火焰传播过程。研究结果表明：回流燃烧室流场不具有对称性,内外壁面速度分布不相同,压损的改变对燃烧室流场结构影响较小,随着压损的增加,速度值增加。燃烧主要在主燃区和中间区进行,火焰呈一定的“月牙”形向外燃烧。燃烧室点火过程可分为火核生成阶段、火核发展阶段、点火成功阶段和火焰稳定阶段4个阶段,回流涡着火是成功点火的关键。熄火时,火核向回流区后部靠近,火焰根部逐渐远离旋流器出口位置,火焰从正常燃烧时的月牙形结构演变为单股火焰。     

双燃烧室中煤油超燃试验研究

对双燃烧室中煤油超燃进行了试验研究。试验采用亚燃燃烧室产生的高温富油燃气在超燃燃烧室的超声速主气流中补燃的方案实现了煤油超燃过程 ,研究了在不同超声速主气流总温状态下高温富油燃气的当量比对超声速燃烧效率的影响 ;分析了超燃燃烧室中的总压恢复特性     

高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法

在燃烧室的内流热环境下,燃烧室壁面的部分防热材料(如 C/SiC 或超高温陶瓷)与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外,水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应,破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境,并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4%~5%的常温水与高温气体混合,模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度,采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度,研究含水的高温气体的总温(总焓)计算方法。     

煤油射流在超声速燃烧室中的实验研究

在超声速燃烧室中分别采用气泡雾化煤油与纯煤油射流进行实验，研究不同情况对燃料的雾化和贯穿深度的影响。实验选用纹影法记录实验段图像，拍摄了不同注射压强条件下燃料有无气泡雾化的流场照片，对时间平均流场和瞬态流场分别进行记录。实验结果表明：气泡雾化的确明显地提高了液体燃料的雾化程度，但对贯穿深度没有显著的影响，提高贯穿深度的有效方法是增加射流压强。     

一种研究煤油超燃的新方案

为了强化煤油超燃性能 ,提出了一种采用双凹槽和预燃室结构 ,利用从预燃室喷出的高温燃气去引燃从凹槽内喷出的煤油 ,实现煤油超燃过程的具有广泛应用前景的超燃新方案。试验是在空气流量 1 .2kg/s左右的地面连管试验台上进行的。试验结果显示 ,超燃点火可靠 ,火焰稳定 ,超燃效率可达 0 .8以上。     

不同进口马赫数下超声速燃烧流场特性研究

对有无楔板超燃冲压发动机模型内横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟,分析了进口马赫数对超声速燃烧流场特性及特征参数分布的影响特性。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes(N-S)方程,对不同进口马赫数下的燃烧流场进行了数值模拟,细致对比了流场激波结构、喷流穿透深度、燃烧阵面,燃烧效率及总压恢复系数等参数随进口条件的变化特征。结果表明:无论是否存在楔板结构,喷口后流场压强均随着进口马赫数的增加而减小,并且随进口马赫数的增加,氢气喷流穿透深度减小,楔板对喷流穿透深度基本无影响。较无楔板结构而言,设置楔板结构可以缓解燃烧室内流场对马赫数变化的敏感度,使燃烧更为稳定。在同一进口马赫数条件下,楔板布局有明显的促燃作用及激波点火效果,在一定程度上可增加此类发动机工作的马赫数范围,但以总压恢复系数略微降低为代价。     

航空发动机燃烧室光学可视模型试验件及其流场测量研究进展

航空发动机燃烧室内的燃烧组织是高温高压受限空间内多级旋流复杂流场结构的气动、燃油雾化、蒸发、油气混合和燃烧化学反应多场耦合过程,而其流场特性影响雾化和燃烧过程,从而对燃烧室的燃烧性能具有决定性影响。对燃烧室内复杂强旋流流场组织机理的认识和高精度测试一直是发动机燃烧室研制过程中的难点之一。本文针对光学可视模型燃烧室试验件设计方法及典型发动机燃烧室的流场组织机理和特性进行总结,希望给发动机燃烧室研制过程中光学模型燃烧室试验件的设计提供一定的借鉴,深刻认识目前两类典型的传统旋流杯模型燃烧室和基于分区分级耦合燃烧技术的新型燃烧室的流场特性,促进航空发动机燃烧室的研制。     

直联式超燃实验台超声速燃气取样分析

在超燃冲压发动机实验中,燃烧室出口气体成份及分布是衡量燃烧情况的重要依据.笔者采用探针取样-色谱分析的方法,对于直联式超燃实验台不同工况下燃烧室出口气体进行了取样分析,总结了煤油燃烧比较完全、不完全以及基本未燃烧三种情况的典型气体分布规律.目前可测得的气体成份包括H2、O2、N2、CO、CO2、CH4和C2H4,进行成份分析与相应条件下燃烧室壁面静压分布比较,可进一步了解超声速燃烧的内部细节,为改进燃料掺混与燃烧提供参考数据.     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室

在自主开发的软件平台上，采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动，考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中，颗粒相采用LISA一次破碎模型，KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型，湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法，得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时，采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布，并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较，数值计算结果和试验值吻合较好，数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。