凹腔火焰稳定器阻力特性的实验研究

在超燃冲压发动机直连式实验中,模拟马赫数1.92、静温509K、静压86.6kPa来流,采用等截面燃烧室构型,利用推力测量系统对不同结构尺寸的开式凹腔火焰稳定器的冷流阻力和热试阻力进行了研究。通过对深度分别为10,15,20mm,长深比4~10,后壁倾斜角18°~60°的凹腔火焰稳定器的冷流阻力比较,实验表明凹腔火焰稳定器的冷流阻力与凹腔深度成正比;也与凹腔长深比成正比;并随后壁倾斜角的增大先减小后增大,在30°~60°范围内应存在一个角度使得冷流阻力最小。实验还以氢气为燃料,利用火花塞点火器进行点火,在燃烧模态下对不同喷注位置、不同当量比时的凹腔火焰稳定器阻力特性进行了对比,结果表明凹腔火焰稳定器的热试阻力比冷流阻力小,且受燃料喷注方式的影响较大;在实际超燃冲压发动机工况下,凹腔火焰稳定器的阻力随着当量比的增加而减小,并最终会表现为正推力。     

超燃冲压发动机多凹腔串联燃烧室阻力研究

在直连式试验台上,采用等截面燃烧室对多个凹腔同侧串联布置的燃烧室的阻力进行了试验研究。分析了凹腔深度分别为10、15和20mm,凹腔长深比分别为5和7的不同凹腔组合、凹腔顺序、凹腔距离和凹腔数目在不同燃料当量比下的燃烧室内阻。研究结果表明,在同一燃料当量比下,燃烧室内串联凹腔数目越多,阻力越大,单个阻力较大的凹腔组合后总阻力较大;燃料喷射方式和当量比对燃烧室阻力变化规律影响较大,在小当量比时氢气燃烧放热将可能增加燃烧室内阻;相同当量比和燃料喷射方式下,氢气比煤油燃烧时阻力大;在合适的当量比和燃料喷射方式下煤油燃烧时组合凹腔可能产生正推力。     

超声速燃烧凹腔质量交换特性的混合RANS/LES模拟

对超声速冷流及燃烧流条件下超燃冲压发动机火焰稳定凹腔的质量交换特性进行了研究.采用混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large-eddy simulation)方法对非定常流场进行数值模拟,系统研究了凹腔结构参数和横向喷流燃烧放热对凹腔质量交换特性的影响.首次采用"原子追踪法"对化学反应流条件下的凹腔质量交换过程进行了刻画.结果表明:在冷流条件和燃烧流条件下,凹腔驻留时间均随长深比的增大而增加;凹腔后缘倾角对驻留时间的影响在冷流条件下比较显著,而在燃烧流条件下明显减弱;相同结构的凹腔,在燃烧流条件下的驻留时间相对于冷流条件明显减小.      

超声速气流中凹腔主动喷注的强迫点火过程实验研究

为了研究在总温846K,总压0.7MPa,入口来流马赫数2.1的超声速来流条件下凹腔主动喷注对点火过程的影响,利用高速摄影相机进行观测,对比了凹腔前壁喷注、后壁面喷注等组合喷注方式下开展的发动机乙烯点火试验。基于对高速摄影图像处理的统计分析,研究发现在点火工况条件下,凹腔后壁面喷注相比于前壁喷注更容易使整个凹腔内形成稳定的火焰,当凹腔主动喷注当量比达到0.03时就能使凹腔内形成稳定的火焰;在凹腔后壁面喷注的条件下,当凹腔主动喷注当量比达到0.06,全局当量比达到0.17时,火焰就会穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧;凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方式能进一步促进初始火核的形成与传播,当凹腔主动喷注当量比达到0.05,全局当量比达到0.16时,火焰就能穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧。     

超声速燃烧室中壁面凹腔结构的稳焰机理

针对凹腔稳焰机理,分别在冷态喷流和燃烧工况下探讨了改变凹腔长深比和深度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:增大凹腔长深比能使燃料更容易卷入凹腔,延长其在低速回流区内的掺混时间,增强掺混、提高燃烧效率;但过大的长深比对燃烧效率改善的影响消失,反而会使剪切层运动距离增大,导致凹腔后壁面再附激波增强,引起激波耗散产生的总压损失增大,使凹腔前、后壁面压差阻力增加,所以工程中建议采用长深比为5左右的凹腔结构.增大凹腔深度虽然会使激波损失增加,但能提高主流和凹腔的质量交换率,并使凹腔容积增大,能够显著提高燃料在低速回流区的掺混和火焰稳定效果,提高燃烧效率.      

三维超声速燃烧室凹腔构型的优化设计及参数分析

凹腔构型对超声速燃烧室的燃烧效率、阻力特性、火焰稳定等性能都有重要的影响,且凹腔构型各参数变化产生的影响存在复杂的耦合作用。因此,针对横向喷射燃料的三维超声速燃烧室凹腔构型进行了基于代理模型的优化设计及参数分析研究。首先对凹腔的长度、深度和后壁倾角进行正交试验设计,数值仿真用以对凹腔燃烧室进行流场与性能分析,建立燃烧室燃烧效率和总压恢复系数与设计变量间的代理模型,根据基于替代模型的复杂系统优化策略,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对凹腔构型进行二次优化设计,得到Pareto前沿面。结果分析表明,优化凹腔构型可分为窄深型、浅长型和中深中长型,分别对应Pareto前沿面的急变段、平缓段和巨变段;凹腔燃烧室的燃烧效率与凹腔长度呈负相关,与凹腔深度呈正相关,总压恢复系数反之;后壁倾角对总压恢复系数和燃烧效率影响均较小。平缓区的燃烧室压力幅度变化小且总压恢复系数高,其长深比在2.67~8,在不需要极高的燃烧效率情况下,可以优先选择平缓区凹腔构型。     

过渡型凹腔超声速燃烧流动振荡抑制方法

针对长深比为10.0的过渡型凹腔在隔离段入口马赫数为3.0条件下存在的冷流自激振荡现象，提出了一种凹腔内增加肋条抑制振荡的方案。通过试验和数值计算，对该方案抑制振荡的效果进行了检验，并分析了肋条增加前后燃烧室流场结构和燃烧性能的差别。研究发现：通过在凹腔内增加肋条能够消除过渡型凹腔冷流工况下存在的175.8 Hz的自激振荡，燃烧流场也更加稳定；增加肋条后凹腔的稳焰能力有所降低，部分在凹腔未完全燃烧的煤油进入扩张段后继续发生反应，从而使燃烧区向下游延伸、增大，发动机的燃烧效率和净推力分别降低5.4%和8.9%，但推力更加平稳；燃烧室一维平均热流密度峰值由2.9 MW/m²降低至1.8 MW/m²，燃烧室的热环境大幅改善。     

超燃冲压发动机双凹腔燃烧室氢气燃烧流场分析

为了比较超燃冲压发动机中双凹腔燃烧室相对于单凹腔燃烧室在促进燃烧方面的优势,运用高速摄影仪拍摄了氢气当量比为0.07时燃烧室中的火焰情况,结合数值仿真结果,得出如下结论:小当量比情况下氢气燃烧很稳定,燃烧区域主要集中于前凹腔的剪切层和该凹腔所围成的三角区以及该凹腔下游壁面位置,燃料喷口周围没有火焰;无论是串联凹腔燃烧室还是并联凹腔燃烧室,相同条件下燃烧时壁面压力均比单凹腔燃烧室高,串联凹腔之间的回流区为燃烧提供了有利的条件;在一定范围内,串联凹腔之间的距离越近,燃烧放热越集中,壁面压力越高.      

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.      

超燃冲压发动机凹腔内补氧的强化点火试验

在超燃冲压发动机扩张型燃烧室中,对凹腔内局部补氧的点火强化方法进行了试验研究。采用高速摄影手段研究了不同的补氧方式对凹腔内火焰分布特征和燃烧强度的影响,并针对并联双凹腔燃烧室构型,研究了在单侧凹腔补氧条件下向异侧凹腔的火焰传播过程。试验结果表明,采用凹腔内补氧的方式能调节凹腔内的燃料浓度分布、改善凹腔内的燃烧过程,控制燃烧放热强度;稳态燃烧情况下,观察到凹腔驻留火焰的两种存在特征,分别表现为:由回流区热量反馈机制作用下的凹腔局部驻留火焰和燃烧室全局压力反馈影响下的凹腔剪切层火焰。只有在单侧凹腔燃烧建立了全局压力反馈的条件下才能实现凹腔火焰的异侧传播。     

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.      

气液喷流与超声速凹腔流场的相互作用

为了解凹腔火焰稳定器的工作过程,通过试验和数值仿真手段,对超声速条件下凹腔的流动特性进行了深入细致的研究,探讨了气/液喷流与超声速凹腔流动的相互作用机理。研究结果表明,无喷流时超声速凹腔流场具有五个典型的特征;引入喷流会引入新的流场特征,同时流场结构会发生机理性的变化;气/液喷流对凹腔整体流动特征的影响是一致的;有气体喷流时,不同压降下凹腔流场结构是类似的;而对液体喷流而言,提高喷注压降会增加雾化距离、射流穿透度、喷流厚度,提高来流速度则会使其减小。     

实际进口条件下超声速燃烧室全流场研究

针对自行设计的超燃冲压发动机进气道/隔离段+燃烧室一体化模型,进行了燃烧室实际超声速来流条件下的冷态全流场试验研究与数值模拟,获得了模型在不同来流总压和燃烧室出口反压下的流场结构及沿程静压力分布。试验真实模拟了冷流条件下燃烧室实际的进口环境,结果表明:当燃烧室反压系数较低时,激波串在燃烧室扩张段附近形成;当燃烧室反压系数较高时,激波串在燃烧室进口处形成,并且由于凹槽的影响,激波串向燃烧室上壁面偏斜。     

超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征

对Ma=1.7的空气超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征进行了实验和数值模拟研究。在喷注的模拟燃料氦气中添加丙酮,采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)观测了设置开式凹腔时燃料在展向和流向的空间分布。针对下游布置不同凹腔时燃料分布相似的实验结果,选取L/D=7的凹腔对其燃料混合流场进行了大涡模拟。实验和仿真结果表明:实验来流条件下喷注燃料大部分直接由喷流引起的上升反转旋涡对带走,只有小部分燃料经由喷流与凹腔流动涡结构的相互作用进入凹腔剪切层,并随剪切层运动对流进入凹腔内部。     

凹槽火焰稳定器结构对煤油超声速燃烧的影响

采用混合分数平衡化学反应模型和离散液滴模型，研究了不同长深比和后缘倾角的凹槽在液体煤油双模态燃烧中的火焰稳定特性。结果表明，集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽，在所模拟的工作过程中增强了燃料与空气的混合和燃烧；并得到最优的凹槽结构；混合分数平衡化学反应模型和离散液滴模型能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧。