Investigation of the loop combustion chamber

As a result of the experimental-theoretical study of the loop (countercurrent) combustion chamber of the gas turbine engine, the data and theoretical dependences are obtained on the change in the combustion completeness and combustion temperature in various operating modes.     

基于全连接神经网络的分层旋流火焰燃烧振荡预报

燃气轮机贫油预混低排放燃烧室容易发生燃烧振荡,在宽工况极端条件下燃烧主动控制有潜力成为抑制燃烧振荡的有效方法。然而主动控制系统依赖于对燃烧振荡的快速监测和准确预报,因此有必要针对不同的燃烧振荡预报手段开展研究和验证。本文以甲烷预混同心分层旋流火焰的图像为基础,采用降低图像分辨率和提取火焰结构特征参数这两种不同的方式对火焰图像信息进行简化处理,并使用全连接神经网络对燃烧振荡进行预报研究。结果发现,两种方式都可以较为准确地预报燃烧振荡,精度均达到90%以上。预报精度随着图像分辨率的增加而升高,在极低的图像分辨率(3*3)下,预报精度也能达到90%以上。此外,对根据火焰平均图像提取的结构特征参数进行了敏感性分析,捕捉到了系统稳定性的转变,但参数变化范围受训练集限制。本文提出的基于数据驱动方法对燃烧振荡的预报时间小于2 ms,为实现燃烧振荡实时在线预报提供了支持。     

湍流燃烧模型在航空发动机喷雾燃烧中的应用

使用自主开发的计算软件,数值模拟航空发动机旋流杯环形燃烧室三维湍流煤油两相燃烧过程,采用多维经验分析法与多步反应火焰面模型预测旋流杯环形燃烧室污染物排放,对4种湍流燃烧模型预测喷雾燃烧流场与污染物排放能力进行评估.各模型所得的计算值与试验数据较为相符,表明这些模型都可用来预测旋流杯环形燃烧室两相燃烧流场和污染物排放能力,但是不同模型的计算精度不相同.其中多步反应火焰面模型所得的出口温度分布与污染物排放与试验结果最接近,其预测精度高于其他模型.因此合理选择湍流燃烧模型可以提高计算准确性和可靠性.      

MMH/NTO火箭发动机燃烧动态稳定性数值评定

应用脉冲枪不稳定燃烧模型对有／无声腔的MMH／NTO火箭发动机的燃烧稳定性进行了数值模拟,比较了3台MMH／NTO发动机的燃烧动态稳定性,计算与发动机的试车结果一致。     

Experimental and Numerical Studies of Vitiated Air Effects on Hydrogen-fueled Supersonic Combustor Performance

This paper deals with the vitiation effects of test air on the scramjet performance in the ground combustion heated facilities. The primary goal is to evaluate the effects of H2O and CO2, the two major vitiated species generated by combustion heater, on hydrogen-fueled supersonic combustor performance with experimental and numerical approaches. The comparative experiments in the clean air and vitiated air are conducted by using the resistance heated direct-connected facility, with the typical Mach 4 flight conditions simulated. The H2O and CO2 species with accurately controlled contents are added to the high enthalpy clean air from resistance heater, to synthesize the vitiated air of a combustion-type heater. Typically, the contents of H2O species can be varied within the range of 3.5%-30% by mole, and 3.0%-10% for CO2 species. The total temperature, total pressure, Mach number and O2 mole fraction at the combustor entrance are well-matched between the clean air and vitiated air. The combustion experiments are completed at the fuel equivalence ratios of 0.53 and 0.42 respectively. Furthermore, three-dimensional (3D) reacting flow simulations of combustor flowpath are performed to provide insight into flow field structures and combustion chemistry details that cannot resolved by experimental instruments available. Finally, the experimental data, combined with computational results, are employed to analyze the effects of H2O and CO2 vitiated air on supersonic combustion characteristics and performance. It is concluded that H2O and CO2 contaminants can significantly inhibit the combustion induced pressure rise measured from combustor wall, and the pressure profile decreases with the increasing H2O and CO2 contents in nonlinear trend; simulation results agree well with experimental data and the overall vitiation effects are captured; direct extrapolation of the results from vitiated air to predict the performance of actual flight conditions could result in over-fueling the combustor, possible inlet un-start and inappropriate combustion mode transition. The detailed analysis and discussion are presented and the research conclusions are summarized.     

自燃推进剂火箭发动机燃烧不稳定性研究

发展了自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）火箭发动机燃烧不稳定性的综合分析模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,研究了燃烧不稳定性的机理,提出了轴向声腔模型并对其抑制不稳定燃烧的特性进行了数值模拟研究,得到了声槽特性频率驿燃烧不稳定性的影响规律,描绘出声腔影响燃烧不稳定性的具体场景,数值模拟结果与理论分析及试车结果是相符的,对轴向声槽的分析设计将具有广泛的指导意义。     

固体推进剂燃烧过程实时监测与燃速测定系统

在固体推进剂线扫描摄像实时燃速测定系统的基础上,研制成功了新一代的固体推进剂燃烧过程和燃速的实时监测系统。介绍了这一新系统的组成、硬件工作原理和软件的主要功能。利用该系统,可以得到更多有关固体推进剂燃烧过程的信息。     

斜切径向旋流器环形燃烧室数值模拟

采用三维贴体坐标系统,对包括突扩扩压器、帽罩、旋流杯、火焰筒以及内、外环通道的环形燃烧室全流程2相燃烧流场进行数值研究。采用k-ε湍流模型、2阶矩-EBU湍流燃烧模型、6通量辐射模型和颗粒轨道模型等模拟2相湍流燃烧流动,分析了进口工况对全流程燃烧流场的影响。计算结果表明:随着进口工况的改变,燃烧室出口温度场也发生相应变化;计算结果与试验数据比较表明:所用的数学模型合理、计算方法可行,其结果可为某型燃烧室优化设计提供可靠依据。     

尾缘吹气稳定器初始雾化场实验及对燃烧计算的改进

利用激光测雾仪(PDA)对尾缘吹气式火焰稳定器尾缘出口的初始雾化场进行了实验研究, 在静止空气中测量了尾缘出口下游不同截面上的各点处的液滴直径、速度等参数, 分析了雾化场结构, 初步探讨了初始雾化场的特征.同时, 根据初始雾化场的实验结果给出燃烧数值模拟的初始雾化条件, 并把计算结果与燃烧实验数据和经验数值计算结果进行对比, 分析了实验初始雾化场数据对燃烧数值计算的改进效果.结果表明, 初始雾化场实验数据对燃烧室出口温度分布及燃烧效率的计算, 都有一定程度的改进, 其中对燃烧效率计算的改进效果更为明显.      

基于试验设计的固体火箭冲压发动机燃烧效率规律研究

以双下侧进气布局的固体火箭冲压发动机为研究对象,以补燃室中燃气与空气的掺混燃烧效率规律为研究目标,将燃气喷管数量、补燃室头部距离、补燃室长径比、空气进气角度、空气进气速度5个因子作为二次燃烧效率的影响因子,基于试验设计方法,建立了5因子2水平的全因子试验表,并以该表为基础对构建出的32种不同掺混结构的固体火箭冲压发动机补燃室的反应流场进行数值模拟。用试验设计中的数据处理方法对计算结果进行分析,获得了5个显著因子及各因子对燃烧效率的影响规律。为了验证分析结果的正确性,从试验设计表中选取5种掺混结构进行了地面连管试验,试验结果与分析结论一致。将试验设计方法应用到固体火箭冲压发动机燃烧性能的研究中,为发动机性能寻优提供了新途径,具有较高的工程应用价值。     

新型变几何火焰稳定器燃烧特性试验

在二元燃烧试验台上研究了一种新型变几何火焰稳定器的燃烧特性,重点描述了在不同试验工况下,稳定器燃烧效率、出口温度分布与稳定器几何形状变化的关系,并且通过稳定器的燃烧图像分析了几何变化对于燃烧状态及火焰结构的影响.结果表明:试验工况下,随着几何形状的改变,稳定器的燃烧效率呈现一定幅度的变化;尾缘槽宽与整流罩宽度比 w/h =1.25表现出其特殊性,在该点稳定器的燃烧状态和火焰结构发生较明显地改变;在稳定燃烧过程中,随着 w/h 的减小,出口截面中心温度不断升高,温度分布的均匀性降低.试验数据和结论有助于加深对该型变几何火焰稳定器的了解,并对该型稳定器的数值模拟和进一步试验研究有着重要的参考意义.      

应用PIV技术测试模型环形燃烧室流场

采用粒子图像测速仪(PIV)测量带双级旋流器模型环形燃烧室内冷态和燃烧流场,试验研究不同进口气流温度对其冷态和燃烧流场内回流区的形成以及气流速度分布的影响,试验结果表明:燃烧室燃烧流场内回流区长度要比冷态流场短,燃烧流场的脉动速度明显大于冷态流场;另外随着进口气流温度增加,燃烧室冷态和燃烧流场的回流区长度都稍有减少.      

小型化催化重整煤油燃气发生器的数值模拟

催化重整燃气发生器是在线产生氢气的有效途径,有助于碳氢燃料超燃冲压发动机的着火和燃烧.通过对新设计的小型化燃气发生器乳化煤油的燃烧及催化重整进行数值模拟,在计算结果和试验数据吻合基础上,分析了出口燃气的总体状态和影响催化重整各参数的变化规律,确定了研究涉及到的参数范围内的最佳工况点,并揭示了内部的燃烧状态和一些难测量成分含量变化趋势,从而进一步指导设计和试验.      

数值研究涡流器对环形燃烧室燃烧性能的影响

数值研究不同类型涡流器对环形燃烧室流场与性能的影响.采用分区耦合方法分别生成两级轴向、斜切径向及三级轴向涡流器的环形燃烧室的结构化网格,在任意曲线坐标系下对带有扩压器、涡流器、火焰筒和内外环冷却通道的三种环形燃烧室三维两相燃烧整体流场进行计算,气相和液相分别采用Euler与Lagrange法处理,采用多维/经验分析法估算燃烧室性能.计算与实验比较相符表明,可利用本文计算方法预测不同涡流器对燃烧室流场和燃烧室性能的影响.      

Determination of ingredient composition of atmospheric emissions of the turbojet engine combustion gases by the fine-structure spectroscopy

The application of the method of absorbing fine-structure spectroscopy to determine the composition of ingredient emissions of products of combustion of the turbojet engine. Applied for research of ingredient composition of complex spectrophotometric instrumentation provides a measurement of the concentration of the various ingredients in the products of combustion to limit sensitivity of 1–10 ppm. The technology of measurement and processing of the data of spectrometric measurements are discussed. The results of measurements of the ingredient composition released into the atmosphere of the combustion products of the turbojet engine are analysed.     

冲压发动机燃烧稳定性及瞬态压力测量结果分析

本文针对冲压发动机地面试验中存在的不稳定工作现象进行了分析,并对燃烧室压力测量系统特性进行了计算,以判断所得测量结果的真实性.根据冲压发动机的使用特点,文中还提出了燃烧稳定性要求.     

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.      

高温富油燃气作引导火焰的煤油超燃研究

对采用高温富油燃气作引导火焰的煤油超声速燃烧进行了研究。根据试验测得的壁面静压分布，采用一维简化模型处理与分析数据，得出了不同试验条件下的燃烧效率与总压恢复系数；对超声速燃烧室内的静压分布特点作出了分析；对超声速燃烧室人口处的气流总温，燃料喷射位置，以及燃烧总体当时比对燃烧室内静压分布、燃烧效率与总压恢复系数的影响进行了讨论。     

Numerical Simulation of the Flow in the Scramjet Combustion Chamber Taking into Account Nonequilibrium Chemical Reactions

A method for numerical simulation of the combustion of hydrogen in a supersonic air flow is developed. Comparison of the calculation results with the experimental data showed a satisfactory agreement. The calculation results using the nonequilibrium and equilibrium techniques differ from each other. It is shown that combustion parameters substantially depend on the geometric characteristics of the inlet device, the combustion chamber and the nozzle.     

预混燃烧大涡模拟和燃烧模型的检验

用代数二阶矩亚网格(ASOM-SGS)燃烧模型对文献中测量的钝体后方丙烷-空气预混燃烧进行了大涡模拟,模拟统计的时平均速度、速度脉动均方根值和温度分布与实验数据结果吻合很好,表明所采用的ASOM-SGS亚网格燃烧模型是合理的。模拟的瞬态结果显现了钝体后方湍流流动和火焰结构。将大涡模拟数据统计得到的反应率系数-浓度关联量的分布规律,与代数二阶矩RANS(ASOM-RANS)燃烧模型的模拟值进行对比,结果发现,大涡模拟统计值和ASOM-RANS模型的模拟值很接近,从而证明了湍流燃烧代数二阶矩RANS模型的合理性。