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。     

超声速来流下叶片式微型涡流发生器流动控制研究

不同构型的微型涡流发生器对提高进气道/隔离段性能所产生的效果不同.采用数值模拟方法研究来流马赫数为2.0条件下,五种叶片式微型涡流发生器对流场边界层的流动控制特性.结果表明:带有一定前缘高度的叶片式微型涡流发生器可产生更强的流向涡,总压畸变和马赫数畸变较小,流场出流质量更佳,但同时带来较大的总压损失;微型涡流发生器的前缘厚度对流场性能提升无明显帮助,反而会增大总压损失;无前缘高度的微型涡流发生器能在引入较小总压损失的情况下,使隔离段拥有较强的抗反压能力,同时有效增大壁面摩擦系数,提高边界层对抗分离的能力.     

基于涡流发生器原理的先进旋涡燃烧室燃烧特性研究

为了研究基于涡流发生器(VG)射流原理的先进旋涡燃烧室(AVC)燃烧及流动性能,对不同射流参数(射流前倾角α、侧倾角β、射流孔径D及射流比R)时燃烧流场进行了数值模拟。结果表明,基于涡流发生器射流原理的AVC性能优于传统射流AVC。增大α及β,可以提高燃气掺混率,增大凹腔中心湍流度,并使更多的热能转化为燃烧室出口动能,但是总压损失明显增大。增大侧倾角β可使凹腔内高温分布更均匀。随着射流孔径D及射流比R的增大,燃烧室整体温度分布先增大后减小。当α=60°,β=60°时燃烧室能够在贫燃条件下实现高温、低压降、低污染的稳定燃烧。     

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.     

涡流发生器对Bump进气道性能影响数值研究

以一种Bump进气道为研究对象,通过在S弯扩压段入口处布置涡流发生器来控制流动分离,减小出口总压畸变。采用CFD数值计算软件对Bump进气道在设计点(Ma=2.0)与非设计点(Ma=1.8,0.8)工况下内、外流场进行计算,分析不同涡流发生器方案的效果。计算结果表明:在设计点工况下,安装涡流发生器能够抑制流动分离,改善进气道流场品质,减小出口总压畸变;在一些非设计点工况下会增大Bump进气道出口总压畸变;Bump进气道总压损失有所增大,不同叶片间距的涡流发生器对总压损失的影响相当。      

燃气发生器中注入水蒸汽对燃烧效率和总压损失的影响

试验是在一个 WZ- 5燃气发生器上进行的 ,燃料用低热值气态燃料 (体积热值为 8172 k J/N· m3) ;水蒸汽可由燃烧室前部或从后部掺混孔处注入。试验结果表明 ,水蒸汽注入对燃烧效率影响不大而使总压损失增加。当水蒸汽流量与总空气流量之比为 10 % ,且水蒸汽从后部掺混孔处注入 ,则总压损失会增大 12 %左右 ;如果水蒸汽从前排注入 ,则总压损失会更大些。     

考虑来流边界层的超燃燃烧室喷射特性

针对超燃燃烧室中的燃料掺混问题,采用基于雷诺平均Navier-Stokes的数值模拟方法分析了考虑来流边界层条件下的燃料横向射流流场特征及其掺混特性.研究发现:对于确定的来流边界层,燃料喷射存在一个临界动压比.当动压比低于该临界动压比时,增大来流边界层能明显提高燃料的穿透深度和掺混效率.而当动压比大于该临界动压比时,来流边界层厚度对燃料的穿透深度和掺混效率几乎没有影响.对于所研究的流动状态,该临界动压比约为0.900.在相同动压比下,所选厚来流边界层条件下的总压恢复系数仅约为薄来流边界层的0.93倍.其中,来流边界层内的摩擦损失是造成超燃燃烧室低总压恢复的主要因素,而改变来流边界层厚度对喷流及下游流场总压损失造成的影响相对较小.     

基于振荡式涡流发生器的激波/边界层干扰控制方法

激波/边界层干扰（Shock Wave/Boundary Layer Interaction, SWBLI）是高超声速进气道中常见的流动现象，当其诱导边界层发生显著分离时往往会导致进气道气动性能严重下降。为此，本文提出了一种基于新型振荡式涡流发生器阵列的SWBLI控制方法，采用基于动网格技术的非定常仿真方法对该涡流发生器阵列流场进行了研究，验证了该控制方法的有效性，并研究了相关参数的影响规律。研究结果表明，振荡式涡流发生器可在超声速边界层内诱导产生振荡强度可变的涡系结构，增强了边界层流动与高速主流的掺混，同时该涡流发生器振荡过程中独特的“挤压”“抽吸”效应持续对气流进行充能，边界层内速度分布饱满程度显著增加。在控制效果方面，随着涡流发生器振荡频率增加，其对边界层低速气流充能的效果增强，对SWBLI流场的控制效果更加明显，形状因子最高可以降低28%；当激波入射在涡流发生器下游34hv时（其中hv为振荡式涡流发生器最大高度），控制效果最佳，激波诱导边界层分离区长度相比无控制时可减少25%；在涡流发生器下游x=270 mm处截取高度30 mm(z=30 mm)设置为监控面，相比于定几何涡流发...     

两种超声速燃烧室内氢气燃烧的三维数值研究

通过隐式耦合求解可压缩N-S方程及组分方程,对台阶喷射燃烧室和支杆喷射燃烧室内的流场进行了三维数值研究.研究结果表明,支杆喷射燃烧室喷人氢气,在整个流道内产生的流向涡和横向涡更加强烈,更加能够促进氢气和空气在流向的对流掺混和扩散掺混效果,从而使得燃烧室内的掺混距离缩短;同时,这两个超声速燃烧室内的凹槽结构能起到增强掺混和稳定火焰的作用,使燃烧室后部燃烧区域增大.      

凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室性能

为了避免基于凹腔火焰稳定器的亚燃冲压燃烧室壁面喷注时燃料与主流空气掺混非均匀性问题和提高燃烧室的性能,提出在亚燃冲压燃烧室中使用支板喷注代替壁面喷注的方案,数值模拟了凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室中燃料分布及流场结构,并分析了支板结构对燃料空气混合及燃烧室性能的影响。研究表明:支板虽然使燃烧室出口的总压恢复系数相对于壁面喷注方式下的降低了63%,但能使燃料均匀分布于整个流道内,增强了燃料与空气掺混,使燃烧室出口的混合效率和燃烧效率分别提高了21.4%和20.5%。燃烧效率的提高弥补了采用支板导致的燃烧室内气流的额外总压损失所带来的机械能损失,使得支板喷注时燃烧室出口的比冲提高了39.6%。因此,在亚燃冲压燃烧室中设置凹腔/支板结构,有利于提高燃烧室整体性能。      

基于微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混机理

为了改善高超声速飞行器前体压缩面边界层速度型的饱满程度，降低进气道壁面流动分离的潜在风险，提出了基于阵列微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混方法。采用数值模拟方法研究了涡流发生器在来流马赫数7状态下的流动特性，揭示了主要流动控制机理，并分析了安装角对掺混效果的影响规律。研究结果表明：微型叶片式涡流发生器可对近壁气流产生一定扰动，形成局部大侧滑角、低压区域，掺混的主要机理在于叶片两侧分别形成扫掠激波、膨胀波，诱导近壁流体向叶片方向偏转，形成局部横向迁移，进而与主流产生掺混效应；负安装角的涡流发生器的扰动能力最强，但总压损失也最大；正安装角时涡流发生器的扰动能力随安装角的增大而增大；相比于无控制状态，所有叶片式涡流发生器均可降低边界层形状因子，安装角15°时的边界层形状因子最小，边界层速度型最为饱满，说明该状态下壁面流动具有较优的抗逆压分离能力。     

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。     

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。     

楔形涡流发生器影响高负荷叶栅性能的机理研究

为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理,对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案,并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明,楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡,卷吸附面层低能流体,提高其抗逆压梯度能力,进而削弱横向流动,抑制角区分离;涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流,使得损失重新分布,叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升,设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%,平均静压系数增大7.75%,5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%,平均静压系数增大21.79%。     

涡流冷壁旋流燃烧室的数值模拟

为了获得涡流冷壁旋流燃烧室的双旋涡结构对其燃烧流动性能的影响规律,改变切向入口的进口速度,对其内部流场进行了数值模拟。结果表明:在燃烧工况下,双旋涡结构较冷态时更难形成;随着切向入口的进口速度增加,涡流冷壁旋流燃烧室的燃烧效率较旋流燃烧室增大2%左右,壁面温度从1200K降低至600K,出口CO2的排放量降低;双旋涡结构会增加燃烧室的总压损失,但是增加的程度很小。     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

菱形孔射流在超声速流场中的气动特性

针对带有横向射流的三维超声速流场进行数值模拟,分析了菱形结构喷孔与普通圆孔的差异,并探讨了不同喷射角度下菱形喷孔对流场的影响.研究结果表明:与普通圆孔相比,采用菱形孔射流能够减弱弓形激波的强度、降低总压损失,增加燃料的穿透高度,但是在展向方面两者对于燃料的扩散能力基本相同;随着喷射角度的增加,燃料的穿透高度表现出先增加后降低的趋势,在计算的3种模型中,喷射角为60°表现出更好的特性;喷射角度在一定范围内变化时,总压损失的改变不明显,但是过大的喷射角度会导致总压损失迅速增加.通过研究进一步认识了菱形孔射流的流场特性,为优化喷射装置提供依据.      

浅凹槽底壁横向燃料喷射对流动和燃烧特性的影响

模拟了高度30km,飞行马赫数6的超声速燃烧室流场和燃烧特性.通过对固定长度、不同深度的一组浅凹槽底壁燃料横向喷射的燃烧室的冷态与燃烧工况进行数值计算,并将其和传统壁面横向喷射方式进行比较,发现引入浅凹槽底壁喷射结构能有效减弱流场的激波系强度,明显降低燃烧流场的总压损失;凹槽前壁面和喷流柱之间形成稳定的亚声速回流区,能够稳定火焰,这在较大深度凹槽会更明显.引入浅凹槽一定程度降低了横向射流穿透深度,这也导致燃烧效率相比传统壁面横向喷射结构有一定下降.     

大叶尖间隙下叶栅性能数值模拟

利用NUMECA软件对某线性叶栅的三维流场进行了数值模拟,对比研究了小叶尖间隙和大叶尖间隙时叶尖泄漏涡流的形成和发展,探讨了叶尖间隙大小对叶栅流场和气动性能的影响。研究表明,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏射流发展成为叶尖泄漏涡,涡流范围不断增大,涡流强度增大趋缓,涡流使得气流偏转减小。从小间隙逐渐增大到大间隙,总压损失与叶片载荷均增大,而在大叶尖间隙时,总压损失增加并不显著,叶片载荷增大趋缓。其结论为进一步揭示叶尖间隙涡流的流动机理以及工业燃气轮机的优化设计提供了参考。     

ATR发动机燃烧室波瓣混合器张角及瓣宽比对掺混、燃烧特性的影响

为了促进空气涡轮火箭发动机燃烧室内来自压气机的空气和流经涡轮的富燃燃气的掺混、提高燃烧效率,本文基于空气涡轮火箭发动机燃烧室入口结构参数设计了波瓣混合器,并采用数值模拟方法通过调整张角及瓣宽比对波瓣结构进行优化。结果表明：1）保持外张角不变,增大波瓣内张角可以有效改善内涵燃料在燃烧室中心轴附近区域燃烧不完全的状况;2）在内、外张角相同的条件下,通过减小瓣宽b2使瓣宽比 大于1可以提升掺混及燃烧效率;3）相对于非反应流动,波瓣诱导流向涡在反应流中强度更高,沿径向向外移动的速度也更快;4）带有波瓣结构的燃烧室内,因内、外涵气流掺混造成的总压损失很小,80%以上的总压损失是由加热造成的。