冲压发动机突扩燃烧室回流旋涡“热缩”效应的研究

对均匀混气进口突扩燃烧室进行了数值研究，比较了燃烧状态和非燃烧状态突扩回流区。发现燃烧状态的回流区长度比非燃烧状态减小了３６％（混气当量比为０．６５）。分析了燃烧引起回流区长度减小的两个重要原因：温度梯度对速度矢量的偏折和加速作用以及热阻力作用。     

旋流突扩燃烧室中回流区的嵌套结构

本文探讨了一种综合旋流器和钝体结构特点设计的新型旋流室,并对双股同轴中心旋流突扩燃烧室模型进行了冷和热态试验。试验结果揭示了一个新的物理现象,即旋流器造成的旋流室回流区与钝体形成的突扩燃烧室中心回流区嵌套在一起。热态初步试验表明,该现象的存在能提高突扩燃烧室贫、富油工况的燃烧效率.      

旁侧突扩加热器燃烧性能研究

为了研究旁侧突扩加热器的燃烧性能,对已有的冲压发动机用旁侧进气突扩燃烧室燃烧性能进行了理论分析,并通过了相关的试验验证工作。结果表明:在来流总温288K时,现有的冲压发动机的旁侧进气突扩燃烧室头部不能形成稳定的高温回流区,所以不能维持稳定燃烧。为了提高旁侧进气突扩燃烧室的燃烧性能,在继承现有的旁侧进气突扩燃烧室的突扩比的情况下,由进气道等直段喷油改为转弯段喷油,相邻进气道前后错开200mm。计算结果表明优化后的旁侧突扩加热器的燃烧效率为0.98,满足加热器对燃烧效率的要求。      

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性数值研究

为了研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,使用数值模拟方法计算了不同旋流数下的燃速、燃烧效率、推力与比冲。固体燃料为丁羟,燃烧采用总包反应与涡团耗散模型。当旋流数小于临界旋流数时,无需将旋流器出口伸入燃烧室,突扩台阶回流区即可稳定火焰;当旋流数大于临界旋流数后,须将旋流器出口伸入燃烧室一段距离,使火焰稳定在这一段区域内。旋流状态燃烧效率低于直流状态,在考虑了旋流产生的总压损失后,发动机推力与比冲也低于直流状态。     

突扩燃烧室湍流射流的相互作用及其对燃烧与混合的影响

本文应用κ－ε湍流模型和快速化学反应的守恒标量简化ＰＤＦ模型,对有中心射流和环状射流相互作用的突扩燃烧室内的湍流流动,混合与扩散燃烧进行了数值模拟。研究了环状射流与中心射流的速度比在较大范围内改变时突扩燃烧室内湍流回流流场的变化,揭示了较大的射流速度比对突扩燃烧室内湍流混合与燃烧的强化作用。     

平面突扩管道中的湍流流动及预混燃烧计算

应用随机涡法(Random Vortex Method)对平面后台阶突扩管道中的湍流流动及预混燃烧过程进行了数值计算。与平均流场所显示的气流结构不同,瞬时流场表现出大尺度的多涡结构。由于这些大尺度旋涡之间的相互作用,回流区长度在平均值附近发生拟周期性变化。预混燃烧计算结果表明,大尺度旋涡对火焰面在流场中的分布有重要影响。     

双股同轴中心旋流突扩燃烧室热态试验研究

本文对双股同轴中心旋流突扩燃烧室进行了热态试验.在较宽的α变化范围内,得到了高的燃烧效率,同时伴随着一定的压力损失.中心回流区嵌套的流场结构,有助于产生较高的燃烧效率.     

旋转对轴对称突扩流的影响

突扩燃烧室的流动是很复杂的,它包括燃料和空气的紊流混合、气流分离、气流回流、剪切流的再附着、化学反应等.这些现象受很多参数的影响,如空气的速度和温度、进口紊流度、进口马赫数、突扩面积比、燃烧和空气的密度比、壁的旋转速度、燃料的喷射速度等.本文研究的目的是试图进一步观察和了解突扩燃烧室的流体力学,尤其是壁旋转对再附着长度X_L的影响和燃烧室中速度与紊流度的分布图.     

双股同轴中心旋流-突扩燃烧室试验研究

本文对双股同轴中心旋流-突扩燃烧室模型进行了冷态气模试验.发现有收扩挡块的旋流室出口扩张角大于8°时,在突扩燃烧室内可形成中心回流区;当旋流室长径比L_i/D_i为1.3时,除了出现中心旋流回流区外,同时,紧接在该回流区后形成另一个较大的无切向速度分量的回流区.在无旋流室收扩挡块的情况下,只能形成一个中心旋流回流区,不可能在该回流区后再产生无切向速度分量的中心回流区.     

突扩燃烧室低频燃烧不稳定控制方法

为实现对突扩燃烧室低频燃烧不稳定的高效控制,采用实验手段和数值模拟开展了低频燃烧不稳定的控制方法研究。开展了燃料脉冲喷射开环主动控制实验研究,发现燃料脉冲喷射所形成的周期性放热是抑制压强振动的主要原因。这种周期性放热与压强振动反相时会明显削弱压强振荡幅度,所以喷射相位角是影响控制效果的主要因素。对空气喷射控制方式进行了大涡模拟,这种方式能够比较有效地干扰突扩面上大尺度旋涡的形成,起到较好的抑制效果。对燃烧室突扩构型进行改进,开展了被动控制的数值模拟,通过采用台阶突扩面的被动控制方式指出了破坏大尺度旋涡的形成和切断振动能量的正反馈机制是实现燃烧不稳定被动控制的主要途径。     

整体式液体冲压发动机分流方案燃烧室试验研究

文中介绍了一种基于现有研究成果设计的突扩燃烧室。在这种燃烧室中,主突扩截面的气流速度降低,但是主突扩比没有改变。在直连式试车台上对该方案进行了试验,使用的燃料为RP-1普通煤油。初步研究结果表明,该方案在大喷管条件下点火起动可靠,燃烧过程比较稳定,燃烧效率高。     

冲压发动机突扩燃烧室内标量输运的大涡模拟

为弄清突扩燃烧室内标量输运机理，采用大涡模拟方法数值模拟了几何结构简化的冲压发动机突扩燃烧室内湍流流动中燃料浓度以及温度等标量的扩散和输运过程。研究了大尺度涡结构随时间在空间的演化过程，给出了燃料浓度和温度场的瞬时空间分布。研究表明燃料的扩散特征直接决定于大涡结构，大涡结构也强烈的影响温度的输运过程。该研究结果为冲压发动机突扩燃烧室设计和改进燃烧状况提供了细观依据。     

支板喷射超声速燃烧火焰结构实验

为明晰支板喷射超声速燃烧火焰精细结构,并探索其影响因素,利用自发辐射成像技术和平面激光诱导荧光技术(PLIF)对支板喷射超声速燃烧流场进行研究。结果表明,燃烧室内形成了典型的扩散火焰,且火焰稳定在支板尾部的回流区,宽度与支板厚度处于同等量级;支板厚度和燃料喷注当量比对火焰结构有显著影响,增加支板厚度会使火焰基底变宽,火焰长度变短,有利于燃烧室内部的快速放热和缩短燃烧室长度,增加燃料喷注当量比会使火焰长度增加,燃烧强度增大。     

带导流片突扩燃烧室冷态流场的初步测量

对带有导流片的突扩燃烧室的冷态流场做了初步观察和测量。实验研究包括三个导流片的后缘角,纵向及横向位置各二个,共十三个结构的流场观测。研究结果表明:随叶片后缘角增加,回流区的长度明显减小,总压损失增加,而且叶片的位置和结构角对流场特征有一定的影响。因此,加导流片控制突扩燃烧室流场的方法是有希望的。     

突扩回流与大速差射流回流湍流气－固两相流动的数值模拟

本文建立了气－固两相流的多连续介质模型，并分别对突扩回流与大速差射流回流这两种与实际工程应用密切相关的复杂流动条件下的受限湍流气一固两相流动进行了数值模拟。单相湍流回流流场的模拟结果与实验符合良好。两相流动的模拟结果表明，与突扩回流相比，大速差射流回流更有利于实现较高的颗粒浓度与气相回流区及低速尾流区的匹配，增加两相滑移速度，延长颗粒停留时间及强化两相间的混合。     

突扩回流与大速差射流回流湍流气—固两相流动的数值模拟

本文建立了气－固上流的多连续介质模型，并分别对突扩回流与大速差射流回流这两种与实际工程应用密切相关的复杂流动条件下的受限湍流气－固两相流动进行了数值模拟。单相湍流回流流场的模拟结果与实验符合良好。两相流动的模拟结果表明，与突扩回流相比，大速差射流回流更有利于实现较高的颗粒浓度与气相回流区及低速尾流区的匹配，增加两相滑移速度。延长颗粒停留时间及强化两相间的混合。     

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.      

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

氢燃料双模态冲压模型发动机M6的试验研究

笔者研究了一个有突扩台阶的氢燃料高超声速冲压发动机模型的气体动力学特性和推力特性。氢气从位于燃料室突扩台阶后的支板逆来流喷流，测量了氢气燃烧状态下模型发动机壁面的压力分布和推力收益数据。实验结果表明，在氢气的当量油气比为0．35－0．8的范围，在本模型流道构型条件下，氢气自燃，并随当量油气比的增加，燃烧室内压力增加，获得的推力收益增大，最大推力收益达到500N。实验在CARDC的脉冲燃烧风洞中进行，实验马赫数为6，总温1850K，总压5．5MPa。     

燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究---“两机”专刊

为深入研究分级旋流火焰特性,本文以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(FSR)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了大涡模拟(WMLES)研究。结果表明：燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。