采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C₂H₆)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C₂H₆质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.      

凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室性能

为了避免基于凹腔火焰稳定器的亚燃冲压燃烧室壁面喷注时燃料与主流空气掺混非均匀性问题和提高燃烧室的性能,提出在亚燃冲压燃烧室中使用支板喷注代替壁面喷注的方案,数值模拟了凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室中燃料分布及流场结构,并分析了支板结构对燃料空气混合及燃烧室性能的影响。研究表明:支板虽然使燃烧室出口的总压恢复系数相对于壁面喷注方式下的降低了63%,但能使燃料均匀分布于整个流道内,增强了燃料与空气掺混,使燃烧室出口的混合效率和燃烧效率分别提高了21.4%和20.5%。燃烧效率的提高弥补了采用支板导致的燃烧室内气流的额外总压损失所带来的机械能损失,使得支板喷注时燃烧室出口的比冲提高了39.6%。因此,在亚燃冲压燃烧室中设置凹腔/支板结构,有利于提高燃烧室整体性能。      

超声速燃烧室小支板对射流作用的数值分析

为分析小支板前/后喷射在超声速燃烧室中的流动特性,运用数值模拟方法研究了小支板对乙烯喷射冷流场的作用规律.对比分析了有无小支板、不同喷射位置、不同喷射角对流场的影响.研究发现小支板增强掺混的机制主要在于在小支板后端形成了流向涡与低压区;在一定范围内,喷孔距离支板尾部越远越处于湍流强度较大的流向涡中,更有利于掺混增强,但同时也距离小支板后缘的低压区更远,这将导致总压损失变大;综合考虑,小支板与喷孔的距离为2.2d,喷射角为90°时燃料穿透深度、混合效率较好,总压损失也相对较小.      

双支板超燃燃烧室上游支板喷注位置的影响

在双支板超燃燃烧室的直连试验中,以液体煤油为燃料,针对上游支板上的3个喷注位置对燃烧的影响进行了研究.在试验过程中获得了壁面压力数据,并通过一维冲量分析法处理.试验结果表明:煤油在两支板同时喷注时,热力喉道的位置受上游支板喷注位置显著影响.在上游支板的3个喷注位置中,第1,2位置分别喷注时超燃燃烧室压力分布基本相同,与第3位置喷注相比燃烧效率高6.3%~7.5%,内推力高16.7%~17.4%.试验的结果表明,在第1位置喷注时燃料能够在上游维持燃烧,但第3位置喷注时燃料无法在上游维持燃烧.结合数值仿真的结果分析,上游支板上的喷注位置到支板尾缘的距离L≥80mm时,燃料在支板尾缘处有较高的混合效率并形成稳定的燃烧.      

ATR发动机燃烧室波瓣混合器张角及瓣宽比对掺混、燃烧特性的影响

为了促进空气涡轮火箭发动机燃烧室内来自压气机的空气和流经涡轮的富燃燃气的掺混、提高燃烧效率,本文基于空气涡轮火箭发动机燃烧室入口结构参数设计了波瓣混合器,并采用数值模拟方法通过调整张角及瓣宽比对波瓣结构进行优化。结果表明：1）保持外张角不变,增大波瓣内张角可以有效改善内涵燃料在燃烧室中心轴附近区域燃烧不完全的状况;2）在内、外张角相同的条件下,通过减小瓣宽b2使瓣宽比 大于1可以提升掺混及燃烧效率;3）相对于非反应流动,波瓣诱导流向涡在反应流中强度更高,沿径向向外移动的速度也更快;4）带有波瓣结构的燃烧室内,因内、外涵气流掺混造成的总压损失很小,80%以上的总压损失是由加热造成的。     

尾缘锯齿结构对叶片边界层不稳定噪声的影响

实验研究了不同雷诺数（2×10⁵~8×10⁵）、不同攻角状态下,3种相同波长（4%弦长）不同振幅（分别为5%、10%、15%弦长）尾缘锯齿结构对叶片层流边界层不稳定噪声的影响。研究表明,在0°攻角状态下,尾缘锯齿会增强甚至诱导产生新的不稳定噪声,显著增大叶片自噪声;在大攻角状态下,尾缘锯齿会减弱甚至完全抑制不稳定噪声,降噪量高达40 dB,降噪机制在于尾缘锯齿结构破坏了不稳定噪声产生所需的声学反馈回路。尾缘锯齿会降低不稳定噪声频率,且锯齿振幅越大,不稳定噪声频率越低。     

喷射角对超声速燃烧室掺混和燃烧的影响

针对壁面喷射方式,分别在冷态喷流和燃烧工况下探讨了喷射角的变化对超声速流场中的燃料掺混效果及燃烧效率的影响。研究表明:采用带角度喷射能明显减弱壁面垂直喷射导致的强激波,减小激波/边界层干扰带来的总压损失,在燃料掺混特性方面,减小喷射角会降低近场穿透距离,减弱近场的掺混效果,而对中场的穿透深度及掺混效果影响不大,但带角度喷射的远场的穿透深度及掺混不如垂直喷射。所以垂直喷射时,虽然更多的燃料和空气发生掺混,燃烧效率要高于带角度喷射的,但会以牺牲很大的总压为代价,所以在工程中建议采用带角度喷射配合其他喷射方式。     

构型参数对悬臂斜坡喷注器混合性能的影响

为探索高马赫数下激波诱燃冲压发动机前体/进气道喷注器构型参数对燃料/空气混合的特性的影响,运用隐式RANS仿真,对不同构型的悬臂斜坡喷注器进行了三维数值模拟并进行了对比研究。结果表明,15°压缩角构型最终的混合效率比基准构型高9%且有较大的燃料穿透度,同时会付出30%的总压损失代价;15°压缩角构型的总压损失是10°压缩角构型的两倍;0°膨胀角构型的混合效率始终高出基准构型11%,但有较大的总压损失;后掠构型与基准构型相比混合效率,燃料穿透度基本不变,负的后掠角总压损失最小;三种不同喷注间距的喷注器总压损失大小基本相同,近流场的混合效率相差不大,混合终了阶段,20mm喷注间距喷注器的混合效率达到了较高水平;50～150mm是燃料/空气掺混剧烈发生的区域。     

基于支板凹腔结构的超燃燃烧室数值研究

为探究基于支板凹腔结构的超燃燃烧室性能,在超声速来流条件下,采用带中心支板且凹腔长高比为7.5的三维超燃燃烧室模型,针对支板阻塞比、扩张段扩张角、不同燃料喷射方式以及不同燃料当量比对燃烧室相关性能的影响进行了数值研究。研究发现:支板阻塞比会对隔离段内的激波分布以及支板后缘速度分布产生明显影响,而扩张段扩张角会影响超声气流在燃烧室出口的膨胀状态;采用壁面以及中心喷注支板同时喷油方式在保持高燃烧效率的同时会扩大整个燃烧室的燃烧区域;当采用单独壁面喷油方式时,凹腔内静温分布会随着当量比的变化发生相应的改变,同时会在当量比为0.51~0.74时达到相对较高的燃烧效率。     

煤油燃料RBCC亚燃模态掺混与燃烧数值模拟研究

为了探索RBCC(Rocket Based Combined Cycle)亚燃模态条件下掺混燃烧性能,对多种工况进行了数值计算。对比分析了各工况下的燃烧室压力、掺混反应效率、总压损失等参数来分析燃烧室内部特性的变化。从数值模拟的研究中可以发现:由于RBCC亚燃模态的特点,一次火箭高温羽流,使得喷注的燃料能够有效地雾化蒸发,通过支板的混合增强作用能有效地提高煤油燃料的掺混能力,凹腔又适当的延长了煤油在燃烧室的停留时间,形成有效的火焰稳定区域,两种有效的火焰稳定方式的结合能实现液体燃料稳定有效的燃烧,而且双凹腔前后组合也能提高燃料的掺混燃烧能力。从计算中还可以发现,合理地布置支板与凹腔的相对位置能提高燃料的掺混反应效率,实现燃料的充分燃烧,并对燃烧性能提高有明显的帮助。     

支板超声速冷流流场及液体喷流混合特性

支板流场和支板燃料喷流的混合效果对超燃冲压发动机的性能有重要影响。为了找出支板流场的特性以及支板构型对支板流场和支板液体喷流混合特性的影响,采用试验和数值两种手段对支板超声速冷流流场进行了初步研究,并对冷流情况下支板液体喷流的混合特性进行了试验研究。结果表明:支板后掠角对支板流场影响较大;支板尾部交错几何结构能形成具有强烈卷吸作用的涡流,加快支板后缘剪切层发展并促进燃料在主流当中的扩散,增强混合;侧喷支板横向喷流与后喷支板顺流喷射相比,燃料在主流当中扩散得更快,混合得更好。研究成果初步确定了不同构型支板的超声速冷流流场特征,得到了支板构型对支板液体喷流混合效果的影响,为进一步开展热态研究和指导支板的设计打下基础。     

带支板的冲压燃烧室的燃烧性能研究

应用含组分守恒方程的质量平均Navier-Stokes方程和B-L代数湍流模型,数值模拟了带支板引射器的模型燃烧室内部的流场结构,对比研究了燃料注入角度对燃烧及发动机性能的影响.在计算过程中,对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的AUSMPW格式,对扩散项采用了二阶中心差分离散.研究结果表明,燃料有角度注入改善了燃料的混合性能,强化了燃料的燃烧效率,提高了发动机燃烧室的动量增量.此外,燃烧室的性能研究需考虑燃烧效率、总压损失及动量增量等因素.     

喷油杆和凹腔支板稳定器近距匹配的液雾分布可视化

液雾分布与稳定器的燃油布置方式、油气分配、火焰稳定及火焰传播密切相关。以RP-3为雾化介质,在来流马赫数为0.2及来流温度为10~400℃的条件下,采用高速摄影法和激光片光/照相法,对喷油杆与凹腔支板稳定器间隔31.5 mm且顺喷时的液雾分布特点进行了可视化研究,并探讨了来流温度及油气动量比对其液雾分布轨迹的影响。结果表明:顺喷喷油杆与凹腔支板稳定器近距匹配方式有利于燃油在支板前缘形成挡溅雾化;挡溅雾化后的一部分燃油在支板表面形成油膜,并在凹腔前缘与尾缘进行二次雾化,来流温度较高时高温支板表面也有利于燃油的蒸发雾化;另一部分燃油则以类似横向射流的形式进行雾化。当来流温度一定时,油气动量比增大,液雾轴向分布距离和横向穿透深度均增大;来流温度升高,液雾穿透深度增加,油气动量比对液雾分布的影响更明显。      

燃料引射方式对超燃冲压燃烧室混合及燃烧效率的影响

应用含组分守恒方程的质量平均Navier Stokes方程和B L代数湍流模型,数值模拟了后台阶构型燃烧室在采用台阶上游支板引射和壁面垂直引射燃料时的内部流场。在计算过程中,对方程的对流项采用空间为二阶精度的TVD格式,扩散项则采用二阶中心差分离散。通过流场计算,对比研究了引射方式对燃料混合性能的影响。结果表明,台阶上游的支板在燃烧室的流场中产生了一对相对稳定的大尺度轴向旋涡,该旋涡不利于燃料的混合。采用壁面垂直引射时,在喷嘴下游的燃料流场中产生了小尺度轴向旋涡,该旋涡是提高燃料混合及燃烧效率的关键。     

锯齿尾缘叶片气动特性和绕流流场的数值研究

以基于NACA 0018翼型的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象，采用大涡模拟的方法研究锯齿相对齿宽与相对齿高对锯齿尾缘叶片的气动特性和非定常绕流流场的影响规律和机制.研究表明，尾缘锯齿参数对叶片气动性能的影响是复杂的非线性过程，在一定来流攻角范围内能提高升阻比，但失速提前.如在9.4°~14.8°来流攻角范围内，不同相对齿宽系列叶片的升阻比高于原始叶片，升阻比与锯齿相对齿宽之间没有线性关系.研究还表明，锯齿尾缘能延迟边界层分离，加速尾迹的流动掺混和能量扩散，改变非定常涡结构和涡脱落频率.相对齿高的变化对非定常流动特性的影响更为显著.尾缘锯齿诱导的二次湍流射流和吸力面侧反向涡对改变了原始叶片的绕翼环量，进而影响锯齿尾缘叶片的气动特性和绕流流场特性.      

中心支板参数对RBCC发动机性能影响研究

针对某宽域加速飞行任务下RBCC发动机中心支板主要几何参数设计问题，采用全流道一体化数值模拟方法，在Ma 0.4-6速域内研究支板阻塞比、顶角及长宽比等参数对发动机引射、亚/超燃模态的性能影响规律。结果表明，随着阻塞比增大，各模态下空气流动受压缩作用增强，燃烧反应更加充分，发动机总推力有0.13%-5%的提升；随着顶角增大，除Ma 2.5工况由流道截面构型变化引起激波形成外，增强的支板前缘激波使得燃烧反应位置较为集中，燃料喷注贯穿主流深度提高，较为充分的燃烧释热使得发动机总推力有2.2%-5.7%的提升；随着长宽比减小，在Ma 0.4-4条件下，增大的流道面积有利于煤油横向扩展，较好的氧燃掺混使得发动机总推力有2%-4.8%的提升，而在Ma 6条件下，支板前缘激波的减速增压作用逐渐减弱，发动机总推力可降低5.2%-7.1%。所得结论可为RBCC发动机中心支板设计参数选择提供依据。     

喷气流与栅后流场掺混及干扰效应的探讨

应用有效的冷气喷射模型，结合涡轮叶栅三维流场计算程序，对叶片尾缘对开缝喷气进行了数值模拟，从栅后速度场、总压场以及气流角分布角度，研究了射流与主流的掺混及干扰过程，结果表明：采用对开缝喷气的涡轮叶栅，在尾缘附近射流与尾迹的掺混占主导地位，经过一段距离后，尾迹与主流的掺混起主要作用，而且后缘对开缝喷气对尾迹的流动结构及漂移过程有一定的影响。     

支板阻力特性实验

实验在超燃冲压发动机直连式试验台进行,燃烧式加热器出口气流马赫数为2.7,总温为1 337 K.利用推力测量系统对不同结构尺寸支板的冷流阻力和热试阻力进行了研究.比较了高度分别为37.5 mm和71 mm,后掠角分别为0°,30°和45°的支板冷流阻力,结果表明支板的冷流阻力随支板高度的增大而增大,随后掠角的增大而减小;实验还在燃烧模态下对不同当量比时支板的阻力进行了对比,结果表明支板的热试阻力比冷流阻力小,且支板的热试阻力随当量比的增加而减小.