同轴双剪切气-气喷嘴数值模拟

通过求解k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组,对以气氢/气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴燃烧室流场进行数值模拟研究.结果表明:气-气推进剂在燃烧室内形成两个燃烧面,能在大流量下实现较高的燃烧效率;同轴双剪切喷嘴的氧喷注速度和氢氧速度比是同轴双剪切喷嘴设计的关键参数,氧喷注速度越小使推进剂的燃烧位置越远离喷注面,而氢氧速度比越大使燃烧位置越靠前;与气-液同轴剪切喷嘴相比,同轴双剪切气-气喷嘴的设计可以取较大的氧喷注速度和适合的氢氧速度比.      

同轴双剪切气-气喷嘴试验研究

为研究应用于全流量补燃循环发动机的新型结构气-气喷注器,对以气氢和气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴进行试验研究,分析喷嘴不同中心氢流量比例和流量变化对推进剂燃烧效率的影响。结果表明:中心氢流量与外圈氢流量的比例是同轴双剪切喷嘴重要的设计参数。当中心氢流量比例为0.3至0.4之间时,同轴双剪切喷嘴使推进剂高效燃烧;在喷嘴流量相当于航天飞机主发动机单喷嘴8倍的工况下,同轴双剪切喷嘴能使推进剂达到高的燃烧效率。     

近喷嘴区域燃烧流场可视化研究

为进一步深入研究气-气掺混燃烧机理,在带可视化窗口的透明燃烧室中,采用高速摄影仪和数码相机获得了同轴剪切喷嘴、同轴双剪切喷嘴和旋流喷嘴近喷嘴区域的气氢/气氧燃烧火焰结构。结果表明:剪切式喷嘴火焰始于氧喷嘴出口端面,燃烧主要发生在气 -气掺混剪切层当中,同轴双剪切喷嘴在出口形成两个剪切燃烧面;与剪切式喷嘴相比,旋流式喷嘴近喷嘴区域燃烧更加剧烈,当旋流数足够大时,将在中心形成稳定的燃烧回流区。      

气氧旋流强度对气-气喷嘴燃烧特性的影响

为进一步深入研究气-气喷注器结构参数对气-气掺混燃烧特性的影响,采用常温气氢和气氧推进剂,对同轴直流和同轴旋流气-气单喷嘴进行了冷流和热试试验,获得了每种喷注器的流量系数、燃烧室压力和燃烧室壁温,并结合数值仿真研究了中心气氧旋流强度对推进剂掺混燃烧的影响.结果表明:同轴旋流式喷嘴拥有较小的流量系数;中心气氧旋流有利于提高推进剂的燃烧效率,但带来了较大的燃烧室和喷注面板热载.     

基于正交设计的气-气喷嘴数值模拟

通过应用正交表安排喷嘴的主要参数以进行设计,并对以气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴进行数值模拟.选择燃烧位置为评价喷嘴性能的参数,研究单喷嘴质量流量、氧喷嘴压降、速度比和氧喷嘴出口角度对喷嘴的燃烧位置的影响.通过对数值模拟的结果的极差和方差分析表明:增大流量使推进剂的燃烧位置远离喷注面,流量是对燃烧位置影响程度最大参数;提高速度比使燃烧位置与喷注面距离缩短,而氧压降和氧喷嘴出口角度变化对燃烧位置的影响较小.      

速度比对气-气喷嘴燃烧性能的影响

为研究应用于全流量补燃循环发动机的气-气喷嘴,开展气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴的热试试验研究。通过测量燃烧室压力和燃烧室壁面温度,研究氢氧速度比变化对燃烧效率和对燃烧室热载荷的影响。结果显示燃烧效率受到速度比和推进剂喷射绝对速度的影响;燃烧室热载荷随速度比增大而增大。气-气喷注器的设计应选择小的氧喷注压降和适合的速度比。     

同轴剪切喷嘴出口壁厚对气-气燃烧性能的影响

以富氢/富氧燃气为推进剂,在单喷嘴燃烧室中开展同轴剪切喷嘴出口壁厚对燃烧性能影响的研究。通过求解N-S方程获得燃烧流场,分析氧喷嘴出口壁厚变化对燃烧产物、温度分布的影响,进行了壁厚变化对特征速度效率和热载影响的试验研究。结果表明,较厚的氧喷嘴出口壁厚有利于稳定火焰,氧喷嘴出口壁厚较薄时特征速度效率较低,并伴随有燃烧室压力不稳定现象。     

富氢/富氧燃气同轴气-气喷嘴燃烧性能仿真与分析

为研究全流量补燃循环发动机富氢/富氧燃气气-气喷嘴性能,以758 K的富氢燃气为燃料、676 K的富氧燃气为氧化剂,对采用同轴直流喷嘴、氧喷嘴扩张同轴喷嘴、氢喷嘴收缩同轴喷嘴、氧喷嘴中心具有实心圆柱同轴喷嘴、双同轴直流喷嘴的燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟,并考察了流量对燃烧性能的影响.仿真结果表明双同轴直流喷嘴具有最好的燃烧性能.数值模拟结果对富氢/富氧燃气气-气喷注器设计有参考价值.      

气氢/气氧同轴剪切单喷嘴燃烧室壁面热流计算与分析

以气氢/气氧为推进剂,采用数值模拟方法,研究了同轴剪切喷嘴设计参数——氢氧速度比和氧压降比对单喷嘴燃烧室内燃烧过程和壁面热载的影响,并将绝热壁面条件、等温壁面条件的计算结果与试验结果进行了对比分析,结果表明:氢氧速度比增大,燃烧性能提高,壁面热载增加;氧压降比增大,燃烧性能下降,壁面热载减小;相比采用壁面绝热燃气温度,采用热流预示燃烧室壁面热载与真实情况更为接近.      

气氧/甲烷与气氢/气氧喷注器燃烧特性对比研究

为了获得气氧/甲烷与气氢/气氧两种推进剂组合燃烧特性的异同,将氢/氧气-气啧注器的设计经验用于气氧/甲烷气-气喷注器设计,在同一燃烧室中针对气氧/甲烷与气氢/气氧同轴剪切喷注器燃烧特性开展了数值仿真与试验研究.结果表明:在喷注器设计参数相似的情况下,气氧/甲烷喷注器尺寸与气氢/气氧喷注器尺寸相当;在相同的燃烧室设计压力、结构尺寸,以及两种推进剂组合均完全燃烧的情况下,要产生相同的推力,气氧/甲烷(混合比3.5)推进剂流量约为氢/氧(混合比6.0)推进剂流量的1.27倍,气氧/甲烷燃烧所需燃烧室特征长度约为氢/氧燃烧室特征长度的1.48倍,气氧/甲烷燃烧室壁面热载约为氢/氧燃烧室壁面热载的一半.     

剪切同轴式喷嘴中心管壁厚对火焰的影响

为了研究剪切同轴式喷嘴中心管壁厚度对火焰的影响,针对LOX/CH4火焰,采用数值方法计算了三种不同喷嘴中心管壁厚的长方体形燃烧室内的燃烧过程,计算表明,对于较大的管壁厚度,在紧贴管壁下游的区域将形成较大的回流区,有利于火焰稳定在喷嘴出口处,还给出了采用相同几何结构燃烧室的LOX/CH4燃烧试验结果,试验也得出了同样的趋势,随着中心管壁厚度的增加,火焰中心明显前移。     

连续旋转爆轰发动机冷流场的混合特性研究

连续旋转爆轰发动机（CRDE）中燃料和氧化剂的快速掺混是实现爆轰波成功起爆和稳定传播的重要前提,然而目前国际上关于这方面的研究还相对较少。本文采用大涡模拟（LES）方法,对非预混CRDE中燃料和氧化剂的混合过程及其主要机理开展深入研究。研究结果表明,非预混CRDE流场中存在欠膨胀特征、大尺度涡结构,以及回流区等复杂的流动现象,其中由于Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性产生的大尺度湍流涡结构是促进氢/氧混合的主要机制。此外,本文还考察了氧气喷注位置对非预混CRDE的流场结构和混合特征的影响,发现氧气喷注位置会影响射流剪切层形态、涡尺度,以及回流区分布等,进而影响氢气和氧气射流的混合过程和混合程度。与其他进气位置相比,氧气在靠近内壁面喷注时更有利于氢/氧的快速掺混。     

翼型支板火焰稳定器结构参数的研究

以NACA翼型参数算法为基础进行翼型支板火焰稳定器设计,并采用数值模拟方法探讨了翼型稳定器最大厚度位置和截尾厚度两个结构参数对总压恢复系数和回流区长度的影响.结果表明:在来流马赫数为0.15~0.30的条件下,随着翼型稳定器最大厚度位置向尾缘方向后移,总压恢复系数先增大后急剧减少,回流区长度则呈现相反趋势;翼型稳定器截尾厚度越小,其最大总压恢复系数越大,且回流区长度与截尾厚度的1.5次方成正比.      

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

Experimental study of hydrogen-rich/oxygen-rich gas-gas injectors

Five types of coaxial injectors were investigated experimentally using hot hydrogen-rich gas and oxygen-rich gas, which were respectively provided by a GH2/GO2 hydrogen-rich perburner and a GH2/GO2 oxygen-rich preburner. The injectors were the shear coaxial injector, the oxidizer post expansion coaxial injector, the fuel impinging coaxial injector, the central body coaxial injector, and the shear tri-coaxial injector. The characteristic velocity efficiency and the combustor＇s wall temperatures were obtained for different design parameters through the experiments. It can be con- cluded that angles of the oxidizer post expansion and the fuel impinging have little influence on the combustion performance and the wall temperatures. The contact area between fuel and oxidizer and the mass flow rate have significant impacts on the combustion performance. The shear tri-coaxial injector has the best combustion performance but also the highest wall temperatures among the five types of injectors.     

旋流数对小限制率旋流喷雾及火焰特性的影响

分布式贫油直喷（Distributed Lean Direct Injection,DLDI）燃烧室是国外多点贫油直喷（MLDI）燃烧室的实用发展形式。本文对DLDI燃烧室的主燃级单元LDI开展研究,主要关注外旋流器旋流数（Sn）从0.65降低到0.33对流场、喷雾和火焰结构的影响。利用FLUENT软件、采用雷诺平均方程（RANS）对时均流场进行求解;利用离散相模型（Discrete Phase Model）对喷雾散布进行模拟;利用Mie散射和激光粒度测量仪对喷雾散布和SMD（Sauter Mean Diameter）进行测量,并对仿真结果进行验证;利用高速摄像机拍摄火焰结构。研究结果显示Sn变化直接改变流场结构：随着Sn的减小,外旋流射流对内旋流射流的压制逐渐变强,内旋流射流的张角和中心回流区尺寸都逐渐缩小;尤其在Sn为0.33时,角涡回流区演化成壁面回流区。流场变化影响液雾散布：Sn在0.38~0.65区间时,喷雾核心主要由内旋流射流输运,喷雾张角由内旋流射特性决定;当Sn为0.33时,喷雾核心会在自身惯性下射入外旋流射流,在外旋流射流以及壁面回流区的作用下均匀散布。喷雾散布结果表明喷雾核心射入外旋流射流时更有利于液雾的散布。火焰结构的研究结果显示在小限制率条件下,Sn为0.33时,中心回流区回流量不足、无法稳定火焰,此时形成的壁面回流区创造了新的稳火点来帮助稳定火焰。     

气体燃料气动火焰稳定器混合特性的初步研究

为了克服航空发动机加力燃烧室传统钝体火焰稳定器存在的流阻较大、燃烧效率较低和红外辐射偏大的缺点，设计了一种气体燃料气动火焰稳定器，通过喷射气体燃料射流形成气动屏障来产生回流区从而稳定火焰，并采用数值模拟计算和实验测试的方法研究了气体燃料火焰稳定器的混合特性。数值模拟计算表明气动火焰稳定器掺混速度快，可在回流区内形成余气系数比较均匀的混合物,且回流区内余气系数分布随来流和射流的参数变化基本保持恒定不变，实验结果证实了数值模拟的结果，并表明采用气动火焰稳定器的燃烧效率较高，部分工况可达98%以上，可为加力燃烧室火焰稳定器的研究和设计提供参考和依据。     

火焰稳定器相对参数对水冲压发动机燃烧及其内流场的影响

在水冲压发动机燃烧室中设置钝体火焰稳定器,可使部分已燃高温燃烧产物在火焰稳定器后部的回流区内不断点燃新鲜的可燃混合物,从而实现稳定高效燃烧。通过改变火焰稳定器相对金属燃料入口高度及相对一次进水位置,对比分析了相对入口高度和相对一次进水位置两种不同相对参数对于燃烧室内掺混、燃烧以及火焰稳定效果的影响。结果表明:当相对高度$H>\mathrm{1}$时,燃烧火焰无法稳定在回流区。当火焰稳定器相对位置不变时,在一定范围内,随着相对高度$H$减小,火焰稳定效果增加,且存在较优的相对高度($H=\mathrm{1}$)使燃烧室内的掺混效率和火焰稳定效果较好。当保持相对高度$H=\mathrm{1}$不变的情况下,综合考虑火焰稳定效果、铝/水掺混效率以及发动机工作性能,$L=\mathrm{0.5}$是较为理想的火焰稳定器相对位置。      

燃料射流隔板对受限超声速反应混合层流场和燃烧特性影响

为了研究燃料射流隔板壁面扰动对于受限超声速反应混合层流场和燃烧特性的影响,基于抽象物理模型激波和膨胀波理论推演,得到了隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场结构,并采用数值模拟方法进行了验证。数值结果表明,隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场主要由冷态主导,且相对无隔板扰动多了回流区、激波、膨胀波、波与反应混合层相互作用等复杂现象。在此基础上,对于不同隔板厚度计算的结果表明,随着隔板厚度的增加,隔板下游的回流区增大,上下膨胀产生的压力不平衡加剧,反应混合层会产生偏斜,回流区厚度和偏斜距离与隔板厚度成正比。此外,第一道反射激波存在降低点火延迟的作用,且存在一个隔板厚度阈值,阈值以下随着厚度增加点火延迟随之降低。同时,后续的多道反射激波导致混合层发展的局部起伏和局部燃烧增强。     

分层比对分开分层旋流预混火焰结构的影响

为了充分认识分开分层旋流预混火焰的特性,实验研究了分层比（SR）对分开分层旋流预混火焰宏观结构的影响。实验以甲烷为燃料在常温常压下展开,通过改变分层比研究了用CH^*化学发光信号表征的火焰宏观结构的变化,包括稳火方式、焰锋、主释热区等。观察到火焰的稳火方式以及主释热区的位置发生了变化。在角涡回流区、台阶回流区和中心回流区的共同作用下,随着分层比的变化,分别在中心体下游、台阶内外沿和主燃级通道出口外沿存在稳火点,并依此首次提出和以往研究中分层旋流预混火焰相比不同的6种类型分开分层旋流预混火焰模式：Y型、V型、对称D型、多褶型、窄W型和宽W型。结果表明,火焰宏观结构受分层比影响而发生变化,可以用甲烷的富燃、贫燃和可燃极限来解释分层比对火焰宏观结构以及自激振荡的影响。