前置翼片式涡流发生器对燃烧室氢气燃料掺混特性的影响

超声速来流与燃料的充分掺混是超声速燃烧的关键技术，直接关系到吸气式高超声速推进系统的总体性能。本文通过在射流口前安装翼片式涡流发生器以促进燃料与空气的掺混。基于SST k-ω湍流模型的RANS方法，对带有翼片式涡流发生器的超燃冲压发动机燃烧室模型内氢气横向喷流冷流流场进行了数值模拟，对比分析涡流发生器高度和长度不同的条件下燃烧室内的流场结构、涡流强度、氢气与空气掺混特性、燃烧室总压损失的规律。结果表明，翼片式涡流发生器能够提高涡流强度并大幅提高燃烧室内的掺混性能。随着涡流发生器高度和长度的增加，流场结构间的干扰增强，导致涡流强度和穿透深度增加，从而提升掺混效率。与不安装涡流发生器情况相比，涡流发生器能提升氢燃料的穿透深度超过170%，减少燃料掺混距离70%以上。更加复杂的流场结构同时会增大燃烧室的总压损失，并随着涡流发生器高度和长度的增加而增大。相较于掺混性能的提升，总压损失的增大幅度相对小很多，说明通过合理的参数选择，翼片式涡流发生器能够有效提升燃烧室的掺混性能。     

椭圆形超燃燃烧室内燃料喷射和掺混性能研究

为了优化超燃燃烧室的工作效率和性能,针对椭圆形超燃燃烧室内的燃料壁面垂直喷射方案,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟方法对不同燃料喷射方案进行研究,着重分析了不同喷注位置的壁面曲率值、喷嘴直径以及反射激波干扰对流场特征及燃料掺混特性的影响。研究表明,喷注位置的壁面曲率对燃料掺混的影响程度与喷嘴直径相关。当喷嘴直径较大时,壁面曲率值越小,燃料的掺混效率越高,但总压恢复系数越低;当喷嘴直径较小时,壁面曲率的改变对燃料横向喷流方案的掺混效率和总压恢复影响很小。在相同喷射动压比下,不同喷嘴直径方案的流场特征以及燃料喷射掺混特性均存在相似性,缩小喷嘴直径能够提高燃料的掺混效率。就本文的研究状态,喷嘴直径为4mm的方案在燃烧室出口处的掺混效率比直径为10mm方案的高出约46.7%。此外,通道中的激波/掺混层相互干扰会大幅降低燃料穿透深度,但产生的剧烈剪切运动能够提高燃料掺混效率。     

乙烯超声速燃烧室悬臂斜坡喷注器射流数值分析

超声速燃烧室中燃料的掺混强化问题越来越受到各国的重视,为了研究超声速燃烧室中悬臂斜坡低动压喷射的流动特性,通过数值模拟方法研究悬臂斜坡喷注器对乙烯射流的作用规律,对比分析有无悬臂、有无后掠以及不同悬臂构型对流场的影响.结果表明:相对于传统斜坡结构,悬臂斜坡结构可使流场远场掺混效果得到明显改善,穿透深度增加;后掠结构能有效增强流场流向涡,从而达到掺混增强的效果,但同时带来更大的总压损失;三角悬臂斜坡结构相比于后掠悬臂斜坡结构对流向涡增强效果不明显,掺混效果弱于后掠悬臂斜坡结构,但总压损失较小;两种后掠悬臂斜坡结构的流场特性差异不明显.     

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。     

超燃燃烧室悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构研究

超燃燃烧室中燃料的掺混强化问题备受关注,为了优化悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构在超燃燃烧室中的流场特性,运用数值模拟方法对悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构的冷、热流场进行研究,对比分析有无凹腔结构、悬臂斜坡喷注器/凹腔不同位置组合对流场特性的影响。结果表明:随着组合位置距离的增大,凹腔的稳定燃烧作用变强,但不同的组合位置会带来燃烧室不同的燃料掺混效果和燃烧特性;综合考虑,组合距离h=30mm虽然总压损失较大,但却拥有更强的燃料掺混效果和更大的燃烧效率收益,流场特性最优。     

喷射方式对煤油超声速燃烧性能影响的数值研究

为了优化超燃冲压发动机燃料喷注系统,提高燃烧性能和发动机可靠性,基于串联凹腔燃烧室构型,对不同燃料喷射方式下液态煤油超声速燃烧进行了三维数值研究,着重分析了壁喷与环喷两种燃料喷射方式对燃烧室性能的影响,并与试验测得的壁面静压数据进行了对比。研究结果表明,环喷改善了掺混效果,使燃料在流道中分布均匀,使其燃烧效率比壁喷提高了4.36%;两种喷射方式下沿程总压损失基本相当,在出口处总压损失了约50%;在第二排喷点下游,环喷得到的CO₂分布范围比壁喷大,且更均匀,体现了其促进燃烧的特性;环喷因燃料动压比较壁喷的小,故其燃料穿透深度比壁喷小。综合来看,建议在相同的燃料当量比下,选择壁喷方式,以简化燃料喷注系统,提高发动机的可靠性。     

当量比对带凹腔超声速燃烧室流动及燃烧特性的影响

通过调节燃料氢喷射压力参数从而改变油气当量比,分别在冷态喷流与燃烧情况下计算了当量比对流场波系及燃料与空气的掺混、燃烧特性的影响.研究表明:增大当量比会增大燃烧反压,扩大上游边界层分离区,逐渐将激波串推向燃烧室进口;同时发现燃料与空气的混合性能在近场处受当量比影响较大,随当量比增大混合效果明显增强,而在远场处基本不再受当量比变化的影响;增大当量比一定程度增大射流穿透深度,但并不能明显改善燃料分布区不合理问题,导致燃烧效率随当量比单调下降;流场总压损失及凹腔阻力系数均同当量比成正比例关系,而流场摩擦阻力随当量比单调下降,且燃烧使摩擦阻力更小.      

碳氢燃料流向涡掺混超燃模型燃烧室冷态流场数值研究

对一种超声速燃烧模型燃烧室的冷态流场进行了数值研究。为稳定超燃火焰并提高燃烧速率和效率,取少量的冲压空气进行稳定的亚燃预燃烧,并以之作为超燃室的一个稳定火炬,其高温燃气将吸热型碳氢燃料预先蒸发汽化并部分裂解为短链小分子,最后通过城墙波瓣掺混器形成的流向涡带入超声速主流,以期实现快速高效的超燃燃烧。计算结果表明:首先,城墙波瓣掺混器能够在较小总压损失下得到显著掺混效果;其次,本文从气动结构的角度专门探究了亚/超燃接力阶段较低的隔离段进口马赫数存在热堵塞的可能性,发现较难适宜超燃启动点火。     

前可变面积涵道引射器特性的试验与数值模拟

为了研究主、次流的进口总压比及出口背压对前可变面积涵道引射器(FVABI)工作特性的影响与流动掺混机理,采用试验与三维数值模拟方法对不同进口总压比下引射器工作性能及掺混流场随背压变化规律进行了分析。结果表明:标准k -ε模型用于引射器掺混流场的模拟具有较好的准确性;进口总压比越大,引射器总压损失越大;进口总压比不变,随背压增加,引射器总压损失先减小后增加;进口总压比不变,引射器在背压变化过程中存在总压损失最小点;背压减小时,引射器存在临界工况点,且进口总压比越大达到临界工况点的背压越大,可变涵道比的范围变窄;主、次流掺混过程主要集中在沿气流方向上x/l=03~06位置之间,在黏性力作用下动量、质量充分交换,沿流向截面速度径向分布趋于均匀。     

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

文氏管在煤油燃料超燃冲压发动机中的应用

为了提高试验效率，将文氏管流量控制技术应用到液体煤油燃料超燃冲压发动机地面直连式试验中，在一次试车中完成了多个燃料当量比的试验。在模型发动机2．5s工作时间内，利用流量调节系统实现了煤油流量阶梯变化，对应当量比分别为1．01，0．88和0．71，随着燃料流量减小，超燃冲压模型发动机维持稳定燃烧，发动机推力减小，燃烧室压力降低，隔离段内预燃激波串位置后移。试验结果说明文氏管流量控制系统工作稳定，调节过程清晰，达到预定试验目的，并且该技术可作为一个有效的手段应用到变当量比超燃冲压发动机燃烧过程动态特性研究中。     

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

燃烧室长度对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,通过分别改变燃烧室等直段长度和扩张段长度,对不同总长的燃烧室工作过程进行数值模拟.采用基于压力的2阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(finite-rate/eddy-dissipation),湍流模型采用SST(shear stress transport) k-ω模型.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分别分析了不同长度,即不同等直段长度或扩张段长度下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化.结果表明:随着等直段长度的增大,燃烧室出口处燃烧效率逐渐减小,从72.74%降低至66.81%,而燃烧室内总压损失逐渐减小,燃烧室推力逐渐增大,可由85.83N增加至108.55N;改变扩张段长度,发现扩长段长度变化对燃烧室流场结构的影响较小,随着扩张段长度的增大,燃烧室出口燃烧效率和燃烧室推力都略微减小.在燃烧室长度的设计范围内,增大等直段的长度要比增大扩张段长度对提升燃烧室各项性能有帮助.      

超燃冲压发动机内外流场三维燃烧数值模拟

以某型煤油燃料超燃冲压发动机整机模型为研究对象,对发动机外流场的流动与发动机内的流动燃烧过程开展了耦合三维数值模拟研究.燃烧室壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,平均相对误差为4.9%,验证了数值方法的有效性.结果表明:内流场的流动燃烧状况既受到外流场捕获空气流量的限制,又会反过来影响着外流场的激波结构;泄压孔对保持发动机中各部件流量匹配起到关键作用;由于进气道内激波与边界层的相互作用以及泄压孔诱发的斜激波的影响,流场在第1处燃油喷射孔附近呈现出燃烧流场不对称特征.      

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.