激光瑞利散射法在火焰温度测量中的应用

近年来为了进行燃烧诊断，发展了一些成功的激光测试技术，由于瑞利散射法（ＬＲＳ）具有许多很有价值的特点，因此在紊流燃烧研究中愈来愈引起人们的注意。通过证实瑞利散射可以用来测量火焰温度。本文阐述了瑞利散射原理、应用中问题和火焰温度的实际测量。     

三维贴体坐标系下燃烧室热态流场的大涡模拟

大涡模拟三维贴体坐标系下环形燃烧室火焰简热态紊流瞬态流场。利用椭圆方程方法生成三维贴体网格，计算中采用k方程亚网格尺度模型估算亚网格紊流粘性；亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率；热通量辐射模型估算辐射通量。并在非交错网格系下采用sIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程，利用壁面函数处理固壁边界条件。计算结果与实验结果的比较表明，采用大涡模拟方法能更真实反映环形燃烧室火焰简内紊流化学反应流气流结构和燃烧过程。     

燃气轮机燃烧室中贴体网格的生成与应用

运用贴体坐标系统分别对燃气轮机燃烧室的冷态和热态流场进行了数值模拟。燃烧室的曲线壁面边界用Ｔｈｏｍｐｓｏｎ的非正交贴体坐标网格处理，并把ＳＩＭＰＬＥ算法应用到曲线坐标系下求解各守恒方程。采用双方程ｋ－ε模型来描述紊流特性；采用按简单的单步化学反应假设的Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ－ＥＢＵ模型表述紊流燃烧；采用热通量法辐射模型来估算辐射通量和壁面温度。另外，还研究了冷态时不同旋流数和紊流强度对气流结构的影响。     

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。     

喷雾火焰中油滴行为的试验研究

本试验研究中,应用相移-多普勒激光粒子分析仪考察了喷雾火焰中的油滴尺寸与速度分布、数密度和容积通量等沿火焰径向和轴向(火焰长度)分布和变化,估算了油滴蒸发(燃烧)常数和油雾燃烧完全度沿火焰长度分布等。     

回流燃烧室燃烧过程的三维数值模拟

在三维任意曲线坐标系下数值模拟回流燃烧室火焰筒内两相燃烧过程,采用RNG k-ε模型模拟紊流粘性,EBU-Arrhenius模型模拟燃烧反应速率、离散坐标模型以及六通量模型考虑辐射传热,液相采用颗粒轨道模型,气相采用SIMPLE算法求解,并用PSIC算法考虑气液两相之间的相互作用的影响,计算得到燃烧室内速度、温度等各气流参数分布.通过将计算与实验结果对比表明,计算方法可靠,离散坐标模型优于六通量辐射模型,更适用于模拟火焰筒内两相燃烧流场.      

基于PLIF技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验

以数值仿真的结果作为参考,开展了基于PLIF(平面激光诱导荧光)技术、高速摄影技术等非接触光学燃烧诊断技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验研究。通过联合光学诊断对不同设计工况的燃烧流场进行诊断测量,获得燃烧室内OH分布,燃烧流场发展演化过程、火焰的结构等信息,对燃烧流场进行详细的分析。研究结果表明:气氧/气甲烷剪切燃烧火焰存在明显的剪切燃烧层,且随着轴向距离的增加,火焰逐渐失稳;随燃氧速度比的增加,流场涡旋作用明显加强,火焰根部稳定段变短,瞬时火焰结构卷曲和褶皱增多;仿真计算的OH分布与试验测得的OH分布相似,仿真模型能够合理预测气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴的燃烧流场。      

燃料喷射位置对凹槽火焰稳定特性的影响

采用混合分数平衡化学模型,燃烧与紊流相互作用的PDF模型和离散液滴模型,研究了不同位置喷射燃料对双模态冲压发动机燃烧室中煤油超声速燃烧凹槽火焰稳定特性的影响。结果表明,凹槽内均出现燃料和空气的混气,以及燃烧产生的高温区,可以达到稳定火焰,增强燃烧的目的;从凹槽局部参数以及燃烧室壁面静压的分布来看,凹槽上游0位置喷射燃料,更有利于燃料与空气的混合、燃烧,并且燃烧室总压损失较小,是最佳的喷射方式。验证了我们在实验研究中的所采取的设计方案。同时,有关煤油超声速燃烧的研究可以通过数值实验,并对实验测量起到指导作用,从而减少风洞实验次数。     

激光辐射下AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值模拟

为了研究激光辐射对AP/HTPB复合推进剂低压燃烧的作用机理，建立二维三明治稳态燃烧模型进行数值仿真研究。针对激光辐射强度1.4W/mm²，压强30～90kPa的工况下推进剂的燃烧进行仿真计算，并与130～160kPa压强下自持燃烧的仿真结果进行差异分析。结果表明，激光助燃工况下，仿真计算所得燃速与实验基本一致，最大误差不超过4.2%。在激光助燃和自持燃烧工况下，组分扩散速度快，气相火焰均为预混结构。激光助燃工况下，激光辐射的能量使得近燃面处的反应比较充分，初扩散反应在气相反应中占主导地位，气相火焰高温区域离燃面近；自持燃烧工况下，AP预混反应和初扩散反应共同主导气相反应过程，气相火焰温度在垂直于燃面方向上增长缓慢且高温区域离燃面远。激光助燃比自持燃烧时的压强指数低，推进剂燃烧对压强的敏感性较弱。     

三旋流燃烧室的数值模拟与试验

为研究三旋流高温升燃烧组织技术，借助CFD技术对三旋流单头部燃烧室进行了数值模拟，采用结构化网格生成技术、realizable k ε湍流模型、PDF（概率密度）燃烧模型等对其进行模拟计算，获得了燃烧室内流场和燃烧场分布及各方面的燃烧性能参数，同时试验研究了三旋流单头部燃烧室的火焰筒壁温、出口温度分布、燃烧效率、排气冒烟数。结果表明:三旋流燃烧室的温升高达1130K，燃烧效率超过99％，火焰筒壁温分布较好，冒烟数不高于20；所采用的数学模型合理、计算方法可行，与试验数据基本吻合，其结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。      

椭圆型条件矩封闭模型在湍流扩散火焰中的应用

使用考虑分子扩散与湍流扩散的椭圆型CMC模型对钝体绕流扩散火焰进行了数值模拟计算,计算的工况包括CH₄/H₂、CO/H₂和CH₃OH等燃料在空气中的燃烧。在数值计算中使用了k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,并将计算结果与实验数据进行了对比,讨论了计算结果与实验数据之间偏差产生的原因,还分析了条件平均变量的空间变化。结果表明,条件平均温度、OH、CO和NO等组分的质量分数的计算结果与实验数据有着很好的一致性,说明椭圆型CMC模型是一种能有效地预测湍流非预混火焰中组分浓度和温度的计算方法。      

LRE模型燃烧室燃烧过程数值模拟

建立了任意斜交曲线坐标系下液体火箭发动机（ＬＲＥ）内部工作过程的气液两相湍流化学反应流模型。应用该模型对气氢液氧模型燃烧室内部燃烧过程进行了数值模拟，得到了全流场的速度分布图形、燃气组分等值线、流场等温线、流场等压线、流场等马赫数线、壁面温度与径向平均温度曲线和燃烧效率曲线。计算结果表明：用数值模拟方法分析ＬＲＥ内部工作过程是可行的。     

Implementation of the conditional moment closure model to a nonpremixed methanol-air flame stabilized on a bluff-body

Ｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｃｈａｌｅｎｇｉｎｇｔａｓｋｓｉｎｔｕｒｂｕｌｅｎｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｓｃａｌａｒｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓｗｉｔｈ...     

用双流体—轨道模型模拟四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧

目前炉内两相流动和煤粉燃烧数值模拟中多半用颗粒随机轨道模型和单流体无滑移模型，这些模型都难以完整地给出三维空间内颗粒速度，浓度，湍流度分布的信息。主采用双流体－轨道模型（颗粒相连续介质－轨道模型）对一个四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。此模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量方程和质量变化的方程，并使用k-ε-kp两相湍流模型，EBU－Arrhenius湍流燃烧模型，离散坐标辐射传热模型，煤粉颗粒的水分蒸发，热解挥发模型和焦炭燃烧的扩散－动力模型等。热态模拟中，为了减小为信散造成的影响，采用了扭转坐标法（将坐标扭转一定的角度使之与煤粉射流方程一致）。为了检验数值模拟，采用三维相位移普勒测速仪（PDPA）对于冷态模型炉内湍流两相流场进行了测量，得到了两相速度，湍流脉动及颗粒浓度的分布。分别对冷态模炉内两相流动和热态模型炉内三维两相流动和煤粉进行了模拟，冷态两相流动的计算与实验结果的对比表明预报的两相流场是合理的，热态模拟的结果给两相速度，气相温度、组分浓度及壁面热，显示出靠近出口处气相速度和温度分布不对称，造成一个局部高温区。     

Advanced optical diagnostics applied to dynamic flames and turbulent jets

Experimental studies were conducted to obtain single shot measurements of temperature and concentration in a variety of dynamic flames. The structure of a low speed hydrogen-air buoyant flame is investigated to characterize vortex-flame interactions. In this flame, the temperature and the molar fraction of nitric oxide (NO), atomic oxygen (O), atomic hydrogen (H) and hydroxyl (OH) have been obtained using a combination of coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS), laser-induced fluorescence (LIF) and degenerate four-wave mixing (DFWM). Good agreement was found between the simulated and the measured data. A monodispersed droplet stream flame was investigated to study the diphasic combustion of ethanol. In this case, the temperature, nitric oxide (NO) and fuel concentration have been measured. Finally, two-dimensional maps of OH and acetone are recorded using planar LIF (PLIF). Application of this technique to a supersonic H₂/air flame and to a subsonic ethylene/air reacting jet mainly illustrates the turbulent character of combustion and provides a deeper insight into the chemical mechanisms of these flows. The present paper emphasizes the importance of applying quantitative and instantaneous optical techniques to different combustion and turbulent media.     

来流条件对SFRJ燃速及自持燃烧性能的影响

为了研究来流条件对固体燃料燃速以及自持燃烧性能的影响规律,采用3阶单调迎风格式(MUSCL)重构方法,AUSMPW⁺通量分裂格式,k-w剪切应力输运(SST)湍流模型,7组分3反应有限速率化学反应模型以及2阶矩湍流燃烧模型,编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序。仿真结果显示:来流质量流率和总温的增加会提高燃速,温度和质量通量的影响指数大约为0.95~1.00和0.67;来流条件影响燃速的主要机理是壁面附近温度和湍流黏性的变化,其中湍流黏性是主要影响因素;随着质量流率的增加,特征速度逐渐降低,当入口马赫数接近1时,特征速度大约为850 m/s,固体燃料将无法自持燃烧。     

Numerical simulation of axial liquid film cooling in rocket combustor

Numerical simulation has been done for liquid film cooling in liquid rocket combustor.Multiple species of axial Navier-Stokes equations have been solved for liquid-film/hot-gas flow field,and k-ε equations have been used for compressible turbulent flow.The results of the model agree well with the results of software FLUENT.The results show that:(1) Liquid film can decrease the wall heat flux and temperature effectively,and the cold border area formed by the film covers the whole combustor and nozzle wall.(2) The turbulent viscosity is higher than the physical viscosity, and its biggest value is in the border area of the convergent area in nozzle.The effect of turbulent flow on the whole simulation field can not be ignored.(3) The mass fraction of kerosene at the film inlet is 1,but it decreases along the nozzle wall and achieves its lowest value at the outlet.However,the mass fraction of kerosene near the wall is the biggest at any axial location.      

建库温度在超声速火焰面模型中的影响

在火焰面模型中,数据库计算结果的准确程度对之后湍流燃烧流场的预测精度有重要影响。为了研究建库温度在超声速火焰面模型中的影响作用,在建立火焰面数据库时增加了建库氧化剂温度这一维度,并提出了一种由流场各点平均温度确定其对应的建库氧化剂温度的查表方法。针对DLR结构的超声速燃烧室,以煤油作为燃料,在五个温度级别条件下建立火焰面数据库,考察了建库温度对一维火焰面数据库以及二维燃烧流场计算结果的影响。研究结果表明,建库温度对一维火焰面的温度和组分分布有较为明显的影响,增加建库温度这一查表维度有助于改善超声速湍流燃烧流场的预测精度。     

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡三维紊流特性

用三维激光多普勒测速系统测量研究了低速大尺寸单级压气机在小流量状态下转子叶尖泄漏涡的三维紊流特性。结果表明,小流量状态下叶尖泄漏涡是引起压气机转子内尖部紊流脉动的主要因素之一,造成的高紊流区沿流向逐渐扩大,并较迅速地向通道中部和低叶高方向移动,紊流强度值随旋涡的增强而增大。在泄漏涡影响区域中,径向紊流强度水平最高,轴向和切向紊流强度水平相近,3个剪切应力中,轴向—径向最大,切向—径向次之,轴向—切向最小。在 80 %弦长附近,泄漏涡发生破裂,导致更强、更大范围的紊流脉动。受角区旋涡发展的影响,后半个通道内叶尖吸力面角区在较大范围内紊流脉动强,剪切应力大。