某发动机排气混合器掺混漏斗面积与耗油率关系的研究

以某发动机排气混合器掺混漏斗面积歧变（增大）导致发动机耗油率指标偏高的实际情况为基础，从国产排气混合器和英产排气混合器串装性能对比试车入手，介绍了国产、英产混合器掺混漏斗面积特征尺寸的对比检测结果、流场计算结果及其定性分析、控制混合器面积歧变的技术措施等。     

波瓣型燃气/空气混合装置的设计与模拟

空气涡轮火箭或涡轮基组合冲压发动机中,混合装置对于提高燃烧效率具有重要的作用。为了提高燃气与空气的混合效率,针对波瓣型混合器提出了混合器出口轴向速度一致的原则来指导设计混合器。设计了两种不同类型的波瓣型混合器,并通过数值模拟分析了混合器出口截面形式和中心体端面对混合效率的影响。结果表明:混合器燃气与空气出口截面的面积比是波瓣型混合器设计的关键因素,恰当调整出口面积比使出口速度接近可以明显提高混合效率;中心体截面缩进和凸出会使混合效率降低。     

带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响

针对波瓣混合器进行了一系列的数值计算和模型实验研究,揭示了带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响.实验结果表明:混合管长径比小于2时,带拐弯混合管会造成高温气流在出口截面呈月牙形分布,月牙形包围着一个回流区,该回流现象对引射性能不利,计算结果则验证了该气流分布,认为带拐弯混合管降低了波瓣混合器的引射效率,为改善其引射性能,应该加长混合管使得混合管的长径比大于等于2.计算结果还发现了波瓣混合器的最佳长径比为2,且该值不随面积比变化,和最佳长径比为6的圆管混合器相比,波瓣混合器可以有效缩短混合管的长度.另外,进一步给出了引射比与长径比的拟合关系式.      

菊花形混合器混合效率理论计算

在菊花形混合器混合增强机理深入分析的基础上,采用环形流线流动模型、平板火焰扩散模型以及三维细长体近似法等,提出了涡扇发动机内外涵菊花形混合器在相同出口面积条件下,相对于环形混合器,其混合效率的解析解.对某涡扇发动机的多工况计算结果表明,菊花形混合器混合效率解析解的计算精度较高,可以用于菊花形混合器混合效率的快速计算.      

双级波瓣引射混合器的引射性能

采用实验和数值方法对双级波瓣引射混合器的引射性能进行研究,重点研究混合管在两种不同进口方式下的引射混合器气动特征差异,并初步分析混合管面积比和长径比对双级波瓣引射混合器引射性能的影响.结果表明:混合管进口方式对引射能力有非常重要的影响,在研究的结构参数条件下,对于受限式进口,单级波瓣引射混合器的引射能力要强于双级波瓣引射混合器约10%;而对于敞开式进口,其引射能力要优于受限式进口最大约35%,此时双级波瓣引射混合器的引射能力要略好于单级波瓣引射混合器.在较大的混合管面积比或较小的长径比下,敞开式进口下双级波瓣引射混合器较受限式进口表现尤为优越.      

涡扇发动机菊花型排气混合器的初步选型试验研究

在常压、低速排气引射条件下,以环型混合器为基准,对五个不同的菊花型混合器进行了冷态对比试验,研究了菊花瓣出口角度、菊花瓣穿透率、相对混合长度和内外涵气流速度比等对菊花型混合器气动性能(包括排气噪声特性)的影响。试验表明,虽然不能对实际发动机菊花型排气混合器的气动性能给出确切的定量数据,但是能定性地判断各个混合器的优劣,即菊花型排气混合器排气的综合气动性能明显优于环型混合器,12个菊花瓣、穿透率为0.76、菊花瓣出口角α/β=15°/25°的菊花型混合器在0.8左右的相对混合长度下应是初选的最佳结构方案。     

接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响

通过对波瓣混合器的数值计算,研究了接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响.计算结果表明:主次流的接触面积越大,波瓣混合器的引射性能就越好,引射比随波瓣周长比的增加而线性递增.同时,流向涡的强度越大,波瓣混合器的引射比也越大,引射比随量纲一流向涡强度的增加而先快后慢增加,两者之间是指数的关系.当波瓣张角未导致气流分离时,主喷管出口的流向涡角动能随波瓣张角的增加而先慢后快增加,两者之间是抛物线的关系.而且,波瓣张角的增大不仅可以增加流向涡的涡量,还可以扩大流向涡的分布区域.      

漏斗形混合器对涡扇发动机推力和红外辐射特征的影响

计算了漏斗形混合器排气系统的流场、推力系数和红外辐射特征,并与环形混合器进行对比.流场特征采用Fluent商业软件计算,红外辐射特征采用反向蒙特卡罗法计算,分析了漏斗形混合器对排气系统推力系数及红外辐射特征的影响.结果表明:①采用漏斗形混合器有助于外涵低温空气注入内涵高温燃气流,排气系统横截面上温度场呈现菊花瓣形分布.②采用漏斗形混合器后,排气系统推力系数下降0.2%.③采用漏斗形混合器后,排气系统尾喷流的红外辐射在喷管后端都减小,在90°探测角最大减小44.6%,但在大的探测角时排气系统壁面的红外辐射会略微增加.      

波瓣帽罩结构和脊线对混合排气系统性能影响

为了明确波瓣帽罩结构和不同脊线形状对混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维数值模拟方法对含帽罩结构以及脊线发生变化的4个波瓣混合器模型进行了定量研究,并将研究结果同原始波瓣混合器模型进行了对比。结果表明,帽罩结构能改善波瓣周围的流场,减小由于扩张角过大所导致的边界层分离,从而缩小流动损失;波瓣脊线形状的改变虽然能改变波瓣混合器附近的流场,从而减小流动损失,提高总压回复系数,但与此同时,脊线的改变也会影响主、次流间的混合,降低热混合效率。同原型相比,改变波瓣脊线加入帽罩结构后,研究的波瓣混合器总压恢复系数的最大增幅为1%,而热混合效率的最大降幅却为11%。     

进气预旋对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响

为了明确混合排气系统内涵进气预旋角对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维流场数值仿真方法对某环形混合器混合排气系统在不同进气预旋角工况下的流场进行了分析,并将结果同轴向进气的情况进行了对比.结果表明:内、外涵之间剪切层的厚度以及剪切层的扭曲程度随进气预旋角的增加而增大.在环形混合器混合排气系统出口处,随着进气预旋角的增加,热混合效率小幅升高,其中30°进气预旋角模型热混合效率为轴向进气模型的1.36倍;总压恢复系数和环形混合器混合排气系统推力逐渐降低,较轴向进气模型,30°进气预旋角模型总压恢复系数降低了0.0034,而相对推力下降了0.081.      

椭圆形切扇修形对波瓣混合器掺混性能影响

在保证面积不变的情况下,选取不同的长轴、短轴,对波瓣混合器进行椭圆形切扇修形,研究切口深度与宽度对波瓣混合器掺混性能的影响规律。使用商用 CFD 软件对流场进行数值模拟。结果显示,对波瓣侧壁进行切扇处理会加强流向涡的强度,切扇越深,流向涡强度越大;切扇波瓣流向涡的耗散速率要大于基准波瓣混合器的流向涡耗散速率,预示着更为高效的掺混;引射系数与切口深度成正比,而总压恢复系数与切口深度成反比。考察了两种衡量热混合效率的模型并对其信度进行了比较,发现在 x =0.4 m 之前切扇可以提高热混合效率,而在 x =0.4 m 之后,基准波瓣混合器热混合效率要大于切扇波瓣混合器。     

飞行环境模拟系统多容腔流-固传热建模

为了提升高空台飞行环境模拟系统(FESS)数值仿真平台的置信度,提出了一种多容腔流-固传热的建模方法,该方法考虑了混合器气流掺混、流-固传热、管道压力损失等因素的影响;建立了包括调节阀流量特性、液压伺服系统、混合器、混合器出口导流栅流量特性、整流子系统、管道容腔模型在内的部件模型库,并基于该模型库构建了仿真平台。为了验证本文建模方法的有效性,采用两次掺混试验数据对仿真模型进行对比验证表明,仿真结果与试验测量结果动态变化趋势基本一致,且温度、压力的最大误差分别不大于2.5K、2kPa;为了分析FESS控制系统的能力,假定了一次典型的发动机试验条件来进行仿真分析,仿真结果表明,FESS控制系统具备进行发动机平飞加速和等马赫数爬升试验的能力。     

加力燃烧室用齿冠状混合器的数值研究与验证

基于CFD(computational fluid dynamics)技术,分别采用有限速率/涡耗散(finite-rate/eddy-dissipation)、涡耗散(eddy-dissipation)和涡耗散概念(EDC)燃烧模型,对一种曲面齿冠状混合器作用下的加力燃烧室进行数值计算.计算结果表明:曲面齿冠状混合器下游产生明显的流向涡对,流向涡的存在可以增强内外涵冷热气流掺混;与直面齿冠状混合器相比,曲面齿冠状混合器下游流向涡强度大于直面齿冠状混合器,其混合效率高于直面齿冠状混合器;加力燃烧室内氧气和二氧化碳质量分数分布结构表明了涡耗散模型的计算更为合理;计算结果可为加力燃烧室混合器选型和燃烧数值模拟提供依据.      

超级燃烧室混合室掺混特性数值研究

为了满足TBCC超级燃烧室的各工作模式下的低阻高效混合,设计了两种采用方形波瓣混合器和结构可调的导流片相结合的强化掺混方案。方案A由上下扩张角不等的波瓣混合器和处于波谷上方的离散状导流片组成,波瓣混合器正对于分流环;方案B由全环形导流片和上下等扩张角的波瓣混合器组成,波瓣混合器的中径小于分流环直径。通过数值研究对比分析了两种混合方案的流动特征发现,两种方案都未出现倒流和流动分离现象;除冲压模态时的波峰截面方案B的流线分布较为理想外,其它工作状态下方案A波峰和波谷截面流线分布均优越方案B。通过对总压恢复系数、热混合效率及动量混合系数的对比发现,混合方案A在飞行Ma03的各工作状态下的总压恢复系数均高于方案B最多高3.5%且能在较短的掺混距离内使内外涵气流的温度和速度混合均匀。考虑到兼顾飞行Ma03范围内的低阻高效混合要求,方案A具有良好的强化掺混特性。     

波瓣喷管引射-混合器的数值研究与验证

对基于CFD数值预测波瓣喷管引射 混合器引射流量比的计算方法进行了探讨,在计算过程中,主流进口采用速度边界条件,二次流进口采用总压压力边界条件,混合流出口采用静压压力边界条件,两者均设置为环境大气压力,与相关实验数据的对比验证表明计算结果与实验结果仅相差10%左右;同时通过改变混合管结构参数,得到了混合管结构参数对引射 混合特性的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射 混合的内在机理。在波瓣喷管出口对应于波谷区域存在一个相对低的静压区,对于引射 混合器系统存在一个最优的性能设计点,计算结果符合物理过程本质。     

一种波瓣混合器超级燃烧室的掺混特性

为了使涡轮基组合循环发动机超级燃烧室的涡扇涵道和冲压涵道两股气流具有高效低阻的掺混特性,设计了一种结构简单的方形波瓣混合器.用数值模拟方法对该方形波瓣混合器与常规混合器进行了比较分析,结果表明方形波瓣混合器具有与菊花型波瓣混合器相似的流向涡高效低阻掺混特性.进行混合器结构参数变化对掺混特性的影响研究发现扩张角对方形波瓣混合器的热混合效率的影响起主要作用,而出口高度的影响不大;当方形波瓣混合器的波长比为1.0时,方形波瓣混合器具有高效低阻的掺混特性.     

微混合器内混合过程的数值模拟

对一个双向进口的微型圆柱混合器的混合过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对照.结果表明,该微混合器没有设置专门的扰流装置,仅采用两侧切向进流体,两种流体在混合器内产生了较好的混合效果.研究表明,混合效果并不是随着雷诺数增大而增强,只有在雷诺数小于90的范围内,才能够得到均匀的混合效果.      

变几何发动机性能数学模型

将可变几何的压气机、涡轮特性计算程序和发动机稳态性能计算程序综合,评估风扇、高压压气机静子可调叶片角度、高压和低压涡轮导向器面积、混合器进口内外涵面积比、以及喷管喉道面积的调节对加力涡扇发动机性能的影响。计算结果表明,通过优化调节,可以大幅度地改善发动机性能。     

加力燃烧室用锯齿冠状混合器混合特性数值研究

通过三维计算流体动力学(CFD)数值计算,研究了加力燃烧室中三种不同型式的锯齿冠状混合器及环形混合器的掺混性能.结果表明:①锯齿冠状混合器下游形成了流向涡阵列,锯齿布置和倾角对其尺度和强度有较大的影响;②相邻锯齿交错布置的锯齿冠混合器的强化掺混效果最为显著且流动损失相对较低,总压恢复系数相对环形混合器降低在0.2%以内...     

波瓣混合器流场试验

为了获得加力燃烧室波瓣混合器内的三维流场,采用带热电偶的五孔探针对波瓣混合器内的流场进行了测量.通过试验,得到了波瓣混合器出口不同截面的速度场和温度场,以及波瓣混合器沿流向的热混合效率、总压恢复系数变化规律.试验结果表明:在波瓣混合器尾缘处会产生一对相互逆转的流向涡,流向涡的产生加强了内、外涵气流的对流混合;越靠近波瓣混合器尾缘,内、外涵掺混能力越强,热混合效率增加速度越快,总压恢复系数下降也越快.