气动斜坡/ 燃气发生器方案燃料掺混性能研究

为了研究气动斜坡喷注器在提高掺混、点火及稳定火焰方面的作用,通过数值仿真方法,对气动斜坡及单孔直喷/燃气发生器2种方案冷流掺混流场进行了对比研究。结果表明:气动斜坡方案在燃烧室中能形成更强、更复杂的流向涡结构,对增进燃料掺混作用明显;在燃烧室后半段2种方案羽流面积相差不大,但是气动斜坡方案燃料质量中心在燃烧室中心区域附近,直喷方案燃料质量中心更靠近燃烧室上壁面,气动斜坡方案燃料分布更加均匀,到燃烧室出口处,掺混效率比直喷方案的高约10%;与直喷方案相比,气动斜坡方案对主流的影响更小,总压恢复性能优于直喷方案的,在燃烧室出口处,总压恢复系数比直喷方案的高约10%。     

QD128航改燃气轮机燃烧室数值模拟

应用计算流体动力学软件FLUENT,对QD128航改燃气轮机燃烧室进行了三维数值模拟计算分析。为了验证数值计算结果的合理性,首先,对以航空煤油为燃料的航机燃烧室进行了CFD数值模拟计算,并将采用3种湍流模型得到的CFD计算结果与航机燃烧室性能试验结果进行了对比,确定了适合燃烧室数值模拟计算的湍流模型Realizable k-ε;然后,采用Realizable k-ε湍流模型,对燃用天然气的QD128燃气轮机燃烧室进行了数值模拟计算,根据其计算结果,对QD128燃气轮机燃烧室出口温度场进行了优化,并对改进后的燃烧室进行了CFD计算,计算结果表明改进措施是有效的。     

环形燃烧室参数化建模系统的设计与实现

鉴于实体建模和网格生成在CFD中占用大量人工时间。本文针对航空发动机环形燃烧室开发了专用的CFD前处理软件,主要包括参数化的燃烧室三维建模程序,提供从构建模型到生成网格的有效途径,快速完成燃烧室CFD的前处理工作,从而能够有效提高燃烧室的设计效率,缩短研制周期。此外还利用UG二次开发语言UG/Open GRIP,编制了数据转换程序,实现了本参数化设计软件和其他CAD软件(UG)的数据共享。     

大直径液氧煤油发动机燃烧室抗脉动隔板技术

随着发动机推力的增大,燃烧室直径也随之增大,表征燃烧室热声学特性的振型、频率及其组合振型更为复杂,燃烧室带与不带抗脉动隔板以及隔板的结构参数等对声学特性影响明显,直接影响燃烧不稳定性的裕度。为了研究抗脉动隔板结构参数对燃烧室声学特性的影响,本文基于三维柱坐标系声波动理论和COMSOL仿真平台,研究了抗脉动隔板结构对火箭发动机燃烧室声学特性的影响。通过单喷嘴声学模拟实验,验证了该仿真方法的有效性。分析了隔板高度、厚度和冷区长度对燃烧室声学特性的影响规律。研究结果表明:隔板高度由40mm增加至120mm时,燃烧室一阶切向和二阶切向振型的频率分别下降了22%和31%;隔板厚度和冷区长度对燃烧室声学频率的影响不超过5%;大推力补燃发动机燃烧室直径大,需采用结构形式更为复杂的抗脉动隔板来针对性地抑制横向振型。     

低排放燃烧室化学反应器网络模型的参数化

为了掌握低排放燃烧室的污染物排放情况,对其化学反应网络器(CRN)模型的参数化进行研究.对爬升工况下燃烧室CFD数值模拟结果进行分析,划分燃烧室的结构,得到燃烧室的CRN模型.再利用自编程软件对燃烧室的结构参数和进口参数进行参数化定义,并把参数化的CRN模型在不同工况下的模拟结果与试验结果分别比较.结果表明:在慢车工况下二者相差不大,在爬升工况下二者差异也在允许误差范围之内.验证了该模型可行性较好,该参数化CRN模型可用于预测低排放燃烧室的污染物排放量和出口温度.     

航空发动机核心机全三维数值仿真方法研究

利用流体分析软件ANSYS CFX,对航空发动机核心机进行了全三维流场数值仿真。采用出口边界模拟压气机级间引气和燃烧室二股气流流路,以及源项方法模拟涡轮叶片冷却喷射。考虑了压气机空腔效应、各叶片的端壁倒圆、转子叶片叶尖间隙等细节结构;燃烧室按照燃油喷雾模型计算化学反应。通过计算获得了核心机进口导流盆、压气机、燃烧室、涡轮及喷管的气动性能;分析整理出了部件各项参数沿径向的分布,获得了核心机推力,并与试验结果进行了对比。通过研究,初步校验了航空发动机核心机全三维数值仿真的可行性,为航空发动机整机全三维数值仿真奠定了技术基础。     

H2O污染对超燃冲压发动机燃烧室性能影响的三维数值模拟

为了解来流污染对超燃冲压发动机性能的影响,需要大量的实验和CFD模拟。基于纯净空气和污染空气(H2O)来流下燃烧对比实验,采用较为详细的化学反应动力学模型(13组分33方程),对三个试验条件的燃烧室反应流场进行了三维大规模并行CFD模拟。模拟结果与对比试验测得的壁面压强比较接近,能"分辨"试验气体中H2O的污染影响。模拟结果显示,从燃烧室整体性能看,7.4%H2O和18.3%H2O污染导致燃烧室单位流量的空气对应推力分别下降4.1%和10.7%,而燃烧室燃烧效率分别下降5.5%和9.5%。     

轴向三级旋流燃烧室流场结构大涡模拟

为深入了解真实航空发动机燃烧室内部复杂流场结构，在自有CFD平台上采用动态亚网格模型对一种轴向3级旋流燃烧室的单个头部矩形试验模型0.5MPa下冷态流场结构进行了LES(大涡模拟).为避免试验模型简化误差，对包括火焰筒上约2000个气膜孔在内的燃烧室所有精细结构进行了完全仿真.计算模拟了燃烧室内复杂流场从静止启动到统计定常状态的完整非定常发展过程，成功捕捉到主旋流与横向对冲射流相互影响作用及涡旋破碎等细观结构，获得的测点湍动能谱与湍流经典理论中惯性子区-5/3规律一致，LES时间平均流场结构与已有PIV（particle image velocimetry）试验结果吻合，表明所建立的高仿真网格与LES方法可进一步用于真实航空发动机环形燃烧室流场数值模拟.      

气氧甲烷单喷嘴燃烧室壁面热流的测量和数值模拟

为了研究气氧甲烷燃烧室的壁面热载荷,对一个包含同轴剪切喷嘴的燃烧室开展了热试研究,混合比2.647,室压2MPa。根据沿燃烧室轴向测得的壁面温度数据,利用逆向传热计算的方法获得了壁面热流分布。为了更好地分析实验结果,应用商业CFD软件ANSYS Fluent开展了相应的数值模拟研究,采用涡耗散概念模型模拟湍流燃烧过程。在进行分析之前对网格无关性进行了验证,比较了从数值模拟和实验获得的热流分布,结果表明所采取的模拟方法能够有效预测燃烧室壁面热流分布,最大热流值偏差17%,另外还从燃气温度场和流场结构方面分析了造成这种热流分布的原因。     

航空发动机燃烧室参数化建模

实体建模和网格生成在CFD中占重要地位。针对航空发动机燃烧室开发了专用的CFD前处理软件,主要包括参数化的燃烧室3维建模程序,提供从构建模型到生成网格的有效途径,可快速完成燃烧室CFD的前处理工作,从而有效提高燃烧室的设计效率,缩短研制周期。此外,还利用UG2次开发语言UG／OpenGRIP编制了数据转换程序,实现了本参数化设计软件和其他CAD软件（UG）的数据共享。     

涡流冷却推力室流场特征与性能仿真

针对2000N气氢/气氧涡流冷却推力室,采用三维全尺寸计算模型开展了仿真研究,得到了流场速度分布特点,验证了涡流冷却推力室内具有双向涡旋结构,内外涡流分界面约占涡流冷却推力室圆柱段半径的86%,燃烧区域约占涡流冷却推力室圆柱段半径的70%.分析表明:外层涡流主要受来流速度与涡流冷却推力室几何参数影响,内层涡流在黏性、燃烧等作用下室压、密度稳定.侧壁温度平均为388K,比冲效率达92%以上,仿真结果与试验对比一致.      

燃烧室尺寸优化下的航空发动机排放性能研究

航空活塞发动机的排放问题始终备受关注,其燃烧室的尺寸对发动机排放性能具有一定的影响,以某航空活塞发动机为研究对象,从燃烧喷雾模型出发,利用Fire建立其燃烧室模型,在现有燃烧室几何参数的基础上提出改进,利用新的方案进行仿真分析,在某一瞬态下对比新旧方案的氮氧化合物和碳烟排放。结果表明:新的燃烧室结构下发动机氮氧化合物排放降低23%,碳烟排放降低2.8%,总体排放下降;将修正后的燃烧室装配到发动机上,经实验台架测试后,发动机功率和扭矩不变,排放物明显降低,该设计方案可行。     

双补燃室固冲凝聚相颗粒分布对比试验研究

针对固冲发动机燃烧效率较低以及凝相粒子分布规律不清楚的现状，本文建立了一套评价固冲发动机燃烧效率的双补燃室试验装置和研究凝相颗粒分布的取样装置。对比研究了结构相同的补燃室内的参数，其误差小于0.5%，说明该装置可以用于精确对比不同补燃室的燃烧效率。然后应用该装置完成了补燃室长度分别为600mm、800mm、1000mm，进气角度分别为30°、45°、60°的对比试验，分析了粒子的粒度分布规律和化学成分变化规律，该规律与数值分析的规律相同。试验结果表明：在进气角度不变情况下，补燃室长度增加有利于提高燃烧效率，燃烧室压强提高，凝相粒子直径明显减小，B粒子燃烧更充分；在补燃室长度为1000mm的情况下，进气角度增加有利于燃烧效率增加，燃烧室压强提高，粒子直径减小，B粒子燃烧更充分。双补燃室发动机是评价补燃室燃烧效率的有效装置，粒度分布和燃烧产物的化学成分有助于补燃室结构设计。     

490N发动机身部局部燃气泄漏时工作状况试验分析

为了研究身部局部燃气泄漏对490N发动机工作性能及结构的影响,为在轨故障问题分析提供依据,采用490N发动机缩比件在模拟真空环境下研究喷管扩张段泄漏孔的影响,采用490N发动机在大气环境下研究燃烧室身部泄漏孔的影响。通过试验,获得了泄漏孔的扩展情况、带有泄漏孔的发动机的真空推力、燃烧室压力等试验数据。研究结果表明：在试验条件下,490N发动机喉部出现泄漏孔后,燃烧室压力下降6.9%,与喉部上游泄漏孔面积占比6.3%相当,燃烧室压力不发生明显波动,发动机仍可以输出推力;泄漏孔沿周向基本无变化,沿轴向往喉部下游,扩展速率先增大后减小,分别为0mm/s、0.588mm/s、0.142mm/s、0.067mm/s。490N发动机缩比件身部面积比14的位置处出现面积占比0.93%的泄漏孔后,发动机在一段时间内推力输出保持稳定,泄漏孔面积占比与泄漏后推力减小比例0.95%相当,且泄漏孔未发生扩展;该结果有效验证了在轨490N发动机身部面积比64的位置处出现面积占比3.2%泄漏孔后发动机在643s内维持推力稳定输出的可能性,且输出推力减小比例为3%。     

含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率研究

为了提高含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率,从推进剂的燃烧热值定义出发推导了燃烧效率表达式,并通过地面试车实验和热力学计算研究了催化剂、氧化剂喷注方式、后燃室容积对燃烧效率的影响。结果表明:推进剂的燃烧效率变化趋势可由特征速度效率表示,但更为精确的燃烧效率表达式应为特征速度效率的平方;燃料中添加卡托辛、亚铬酸铜和硬脂酸钴可使燃烧效率分别提高32.8%,43.3%和52.0%;相比涡轮转子和螺旋喷注器,离心式喷注器的旋流效果更好,可促进燃料与氧化剂掺混,从而更有利于提高含石蜡燃料的退移速率和燃烧效率;增加后燃室长度可提高燃烧效率,但较长的后燃室散热损失和流动损失较高从而导致比冲较低,当后燃室长度为80mm时,燃烧效率可达89.3%,因此得出了三种有效提高含石蜡燃料燃烧效率的方法。     

带双凹槽燃烧室中超声速流场的数值模拟

针对新近提出的双凹槽和预燃室结构的燃烧室概念,采用混合通量分离法及NND格式,对其中的冷态流场进行了数值模拟.结果表明:在没有喷流条件下,该结构是典型的开式流动,有利于混合,在工程应用范围内,可以用二维结果粗略地估算三维情况;但在有喷情况下,开式结构被打破,必须对三维流动作真实模拟.     

AECSC-J ASMIN湍流燃烧仿真软件研发和检验

航空发动机燃烧室几何结构复杂,湍流和化学反应存在强烈非线性相互作用,需要对流动和燃烧及其相互作用进行高精度高时空分辨率的刻画,目前燃烧室湍流燃烧数值模拟仍然是高难度的瓶颈问题之一。介绍了由北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心、北京应用物理与计算数学研究所和中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心联合研发的AECSC-JASMIN软件主要框架、算法以及针对该软件的算例检验。在Sandia射流火焰、支板火焰和单头部燃烧室检验算例中,对比实验数据,射流和支板火焰预测结果与实验值一致;支板算例的平均相对误差在15%之内;单头部燃烧室模拟结果符合物理实际,总压损失与实验值基本吻合。说明AECSC-JASMIN软件可用于复杂结构高分辨率高精度湍流燃烧数值模拟。     

Improvement of conventional combustion chamber structure in order to enhance GTE ecological indicators

The test results of a conventional combustion chamber with the improved structure are presented. The concentration of toxic substance emissions is reduced as compared with combustion chambers of the similar type.     

反应烧结碳化硅陶瓷航天器燃烧室的研制

采用反应烧结碳化硅陶瓷制备形状较复杂且尺寸精度要求高的某航天器燃烧室。研制结果表明：用反应烧结碳化硅陶瓷制备某航天器燃烧室是合适的,其强度随Ｓｉ含量的变化而有较大变化,在本文试验条件下,制件的最佳Ｓｉ含量为１０．５％ ;该方法适于制备使用温度在１５００℃以下尺寸精度要求高的高温结构件。     

各向异性网格自适应计算在超燃模拟中的应用

采用各向异性网格自适应求解技术,将其应用于DLR超燃冲压发动机燃烧室中的超燃模拟.开展了3个算例,包括采用滑移壁面条件的燃烧室冷流场模拟、采用无滑移壁面条件的冷流场模拟及采用无滑移壁面条件的反应流模拟.模拟中,各向异性网格自适应计算捕捉到了如激波、射流、边界层、火焰面等具有各向异性特征的大梯度区域,并利用各向异性网格进行了很好的加密.对比利用各向同性网格的初始流场计算,各向异性网格自适应计算使基于滑移条件、无滑移条件的冷流计算及反应流计算的网格单元数量分别下降了36.2%,36.4%和36.8%,有效降低了计算规模,而且流场大梯度区域的计算结果更准确,辨析度更好.结果表明:对于像超燃这类具有各向异性特征的问题,各向异性网格系统比各向同性网格系统有更好的计算效率及准确性,同时也表明基于Mach数场构造的各向异性网格系统可以有效应用于超燃计算.