并联凹腔火焰稳定器超声速燃烧特性实验研究

为研究并联凹腔火焰稳定器的超声速燃烧特性,通过在凹腔上游喷注乙烯,采用单边扩张型燃烧室在当量比φ=0.43~1.07内进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=3.46,总温Tt=1430K。基于燃烧室壁面静压分布、推力增益、燃料比冲和燃烧流场的可见光与纹影图像分析了并联凹腔在不同当量比下的火焰结构、流场特征和燃烧性能。结果表明,上、下壁面凹腔附近的流动条件差异显著,燃烧过程与当地流动条件之间的强烈耦合作用使得燃烧室内火焰分布显著不对称。发动机燃烧性能对当量比十分敏感,壁面静压水平和推力增益随当量比增加持续升高,但φ=0.43~0.62时的增加速率远大于φ=0.76~1.07时的。φ=0.43~0.62时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而升高;而φ=0.76~1.07时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而降低。     

贫预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究

为了深入探究贫预混燃烧中的燃烧不稳定特性并发展有效的控制方法,通过数值模拟的方法,详细分析了当量比、旋流数、预混气初温对燃烧不稳定的影响规律,并尝试把穿孔板背腔用于模型燃烧室燃烧不稳定的控制研究中。研究发现该模型燃烧室的压力振荡为径向自激振荡模式,旋流强度和当量比对贫预混燃烧的稳定性具有重要影响作用,预混气初始温度的不同,对室内的一阶振荡频率和声压级影响不大,穿孔板背腔可以用来抑制燃烧室内的不稳定现象,当穿孔板背腔长度增加到60mm时,室内的声压级降低了19.35%。     

准直流放电等离子体对超燃燃烧室中碳氢燃料燃烧的影响研究

为研究低燃空比条件下,准直流放电等离子对超燃燃烧室中乙烯燃烧流场的影响,在凹腔上游以及底部前壁面处布置电极产生等离子体,通过数值模拟方法,分析了不同等离子体激励强度下,燃烧室凹腔后缘附近压力分布、燃烧室总压损失、乙烯燃烧效率和燃烧室中水的分布情况。研究结果表明:准直流放电等离子体激励强度越高,对凹腔后缘附近压力场稳定能力越强。等离子体的存在,使得燃烧室出口总压损失微弱增加,损失最大值增加1.9%。燃烧室中乙烯燃烧效率平均提高1.77倍,随着激励强度的提高,燃烧效率呈现先增高后降低的趋势。等离子体改善了燃烧室中水的分布,凹腔内部产物分布范围更广、燃烧更加充分。     

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。     

超燃冲压发动机凹腔火焰稳定器阻力分析

为了研究凹腔火焰稳定器在超燃冲压发动机燃烧室内的阻力情况,采用了试验和数值仿真的方法,结合已有的研究结果、纹影图像和阻力测量等进行了分析。结果表明:在冷流中凹腔阻力受自由剪切层与后壁作用情况决定,来流总压高,作用面积大,凹腔阻力大;在反应流中,凹腔阻力小于冷流阻力,在高当量比条件下凹腔可能产生正推力;凹腔附近最强燃烧放热区对凹腔阻力影响较大,当最强放热区分布在凹腔前壁附近时凹腔可能产生推力;当最强燃烧放热区分布在凹腔后壁时,凹腔可能产生阻力。     

壁面凹腔强化H2超声速燃烧的数值模拟

为了分析凹腔火焰稳定器强化H2超声速燃烧的流动特性，运用数值模拟方法研究了凹腔对超声速燃烧室性能的作用规律。结果表明：凹腔的火焰稳定机制主要在于富含自由基的高温回流区，燃烧室结构设计采用凹腔火焰稳定器能够起到稳定燃烧和增强混合的作用；与直通道燃烧室相比，凹腔燃烧室尽管总压损失较大，但可以获得较好的混合和燃烧性能。     

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.      

部分覆盖构型对凹腔冷态和燃烧流场的影响

为了研究凹腔部分覆盖构型对燃烧室流场的影响,采用SST k-ε湍流模型和有限化学速率/涡破碎模型,对部分覆盖型凹腔的冷态和燃烧的二维流场进行了数值仿真。比较了贫燃和富燃条件下,覆盖板对凹腔燃料分布、流场温度和燃烧效率的影响。研究发现贫燃下,覆盖板有利于凹腔内燃料的积累,提高了凹腔的火焰稳定性,同时由于点火适宜的当量比区域位于凹腔内低速区,增强了凹腔点火能力;富燃下,覆盖板使凹腔内富燃环境进一步恶化,降低了凹腔的火焰稳定性和燃烧效率,主要燃烧区部分向下游转移。     

钝体改进结构对先进旋涡燃烧室燃烧流动特性影响

为探究先进旋涡燃烧室凹腔稳焰机制,提出了一种后钝体结构改进方案,并对改进后的燃烧室燃烧特性进行了预混和非预混燃烧数值模拟.结果表明:预混燃烧条件下,当量比为0.6和1.0时,钝体改进结构可有效增强凹腔内旋涡流动强度,增加凹腔内温度,同时使温度分布更加均匀.另外,凹腔内温度随预混进气速度增加而增加,且当速度增大到一定值时,温度变化不明显;非预混燃烧条件下,钝体改进结构可改善凹腔内旋涡流动及温度分布,在贫油燃烧状态时,凹腔内仍可维持较高的温度;钝体改进使燃烧室质量更小,具有一定的工程参考意义.     

燃烧室长度对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,通过分别改变燃烧室等直段长度和扩张段长度,对不同总长的燃烧室工作过程进行数值模拟.采用基于压力的2阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(finite-rate/eddy-dissipation),湍流模型采用SST(shear stress transport) k-ω模型.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分别分析了不同长度,即不同等直段长度或扩张段长度下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化.结果表明:随着等直段长度的增大,燃烧室出口处燃烧效率逐渐减小,从72.74%降低至66.81%,而燃烧室内总压损失逐渐减小,燃烧室推力逐渐增大,可由85.83N增加至108.55N;改变扩张段长度,发现扩长段长度变化对燃烧室流场结构的影响较小,随着扩张段长度的增大,燃烧室出口燃烧效率和燃烧室推力都略微减小.在燃烧室长度的设计范围内,增大等直段的长度要比增大扩张段长度对提升燃烧室各项性能有帮助.      

Mixing and combustion characteristics in a scramjet combustor with different distances between cavity and backward-facing step

The mixing and combustion characteristics in a cavity flameholding combustor under inlet Mach number 2.92 are numerically investigated with ethylene injection. Dimensionless distance is defined as the ratio of the actual distance to the height of the combustor entrance. The cavity shear-layer mode, the lifted cavity shear-layer mode, and jet wake mode with upstream separation are observed respectively with dimensionless distance equals to 1.5, 4.5, and 7.5. In both non-reacting and reacting flow...     

贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性的实验

实验研究了常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性.结果表明:不稳定燃烧时,火焰结构发生显著变化,呈现大尺度运动的特点.燃烧室所发生的燃烧不稳定性是纵向自激式振荡,是燃烧室与预混段之间的耦合,振荡频率由整个系统决定.随着当量比的提高,燃烧经历了由稳定到不稳定,并达到有限循环脉动的过程.流动脉动和火焰的相互作用,是激发和维持振荡的主要原因,需要深入研究不稳定燃烧性产生和得以维持的机理.      

Effects of pressure oscillation on aerodynamic characteristics in an aero-engine combustor

The effects of pressure oscillation on aerodynamic characteristics in an aero-engine combustor are investigated. A combustor test rig is designed to simulate the pressure drop characteristics of a practical annular combustor. The pressure drop characteristics are firstly measured under atmosphere condition with non-reacting flow (or cold flow), and the air mass flow proportion of each component (dome/liner) are obtained; these properties are base lines for comparison with combustion state. The combustion tests are then carried out under conditions of inlet temperature 340–450 K, fuel air ratio 0.010–0.028. The stability map and the oscillation frequencies are obtained in the tests, the results show that pressure oscillation amplitude increases with the increase of fuel air ratio. Phase trajectory reconstruction is applied to classify the pressure oscillation motion; there are three motions captured in the tests including: “disk”, “ring” and “cluster”. The pressure drops across the dome under strong pressure oscillation are distinctly divergent from the cold flow, and the changes of pressure drops are mainly affected by pressure oscillation amplitude, but is less influenced by pressure oscillation motion nor oscillation frequencies. Based on the mass flow conservation, the reduction of effective flow area of combustor under strong pressure oscillation is demonstrated. Liner wall temperatures are analyzed through Multiple Linear Regression (MLR) method to estimate the reduction of the air mass flow proportion of the liner cooling under strong pressure oscillation. Finally, the air mass flow proportions of each component under strong pressure oscillation are estimated, the results show that the pressure oscillation motion also has influence on air mass flow proportion.     

燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机影响实验研究

为了研究燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机工作特性的影响,搭建了气液两相旋转爆轰实验系统,以汽油/富氧空气为工质,氢气/氧气预爆轰管作为点火装置,在不同燃烧室宽度下开展了一系列实验研究,分析了爆轰波的起爆过程,以及燃烧室宽度对爆轰波传播特性与发动机推力性能的影响。实验结果表明：点火后,燃烧室内需要经过一个爆燃转爆轰过程才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波在不同燃烧室宽度下均以双波对撞模态传播,对应的波速分布在850~1025m/s内,随着当量比增加,波速整体呈增加趋势;当燃烧室宽度减小,波速整体有所降低;不同燃烧室宽度下推力性能存在显著差异,其中燃烧室宽度在16.5mm下,发动机的推力和燃料比冲要明显低于11.5mm和9mm的;随着燃烧室宽度减小,内外壁面边界层在流场中的作用更为突出,降低了发动机推力的稳定性。     

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性，针对某型回流燃烧室单头部试验件，使用粒子图像测速仪（PIV），测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场，以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场，探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大，冷态条件下各截面流场结构基本保持不变，如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致，但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大，流场结构也基本保持不变；相同总压损失系数时，热态流场与冷态流场存在差异，燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响，速度较冷态流动时略微增大。      

流场不均匀对液体火箭发动机纵向振荡燃烧影响及控制

针对常温推进剂发动机推力室再生冷却和撞击式喷注器结构,分析了推力室身部与喷注器对接部位的流场特性,对流场均匀性进行了实验测量。结果表明：推力室身部再生冷却通道出口压力存在约0.15 MPa周向不均匀。身部出口节流显著提高局部流速,使喷注器面氧化剂湍流度和不均匀性增加,进而改变燃烧特性。通过撞击喷注单元雾化试验,获得了18 m/s的推进剂入口边界流速。基于喷注器流场均匀性,提出控制推进剂流速,降低不均匀性,进而抑制纵向高频燃烧不稳定性的控制方法。发动机热试结果表明,采用（15±1） m/s的推进剂入口流速,控制方法抑制了纵向高频燃烧不稳定性。     

带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室试验研究

以含硼贫氧固体推进剂为燃料,对带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型首次开展了地面直连试验研究。试验模拟了23km,5.5Ma的飞行工况,通过测量压强、推力和流量等参数,得出了燃烧室性能。试验结果表明：一次富燃燃气在燃气发生器喉部沉积导致燃气流量持续提高,试验过程中当量比由0.44逐渐增加至0.54;本文所研究的凹腔稳焰结构提高了富燃燃气中气相可燃组分的燃烧效率,但对于凝相颗粒燃烧的促进效果不明显;试验工况下发动机总燃烧效率约48%,高空比冲约为423s,高于文献中所报道的中心支板喷射稳焰的固体火箭超燃冲压发动机试验比冲性能。     

RBCC引射/亚燃模态过渡工作过程数值模拟

针对模态过渡过程中的瞬变特性,开展了引射/亚燃模态过渡工作过程中的RBCC进气道/燃烧室一体化数值模拟,计算比较了四种不同的模态过渡方案,分析了模态过渡工作过程中流动、燃烧模式和进气道状态的瞬变过程,研究结果表明:(1)推力产生较大波动的主要原因是燃烧室内燃烧/流动参数匹配性差和在流动方向上燃烧放热间断引起的;(2)主火箭保留的燃气在模态过渡过程中起到了火焰稳定和自持燃烧的作用,保留合理流量的燃气不仅可以缩短模态过渡时间,而且可以提高发动机的比冲;(3)提出了通过调节燃料喷注策略和主火箭节流方式实现模态平稳过渡的方案,并对该方案进行了数值验证,可望为进一步的实验研究提供了燃烧控制方法。     

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.