同轴突扩燃烧室低频不稳定燃烧数值模拟

采用大涡模拟耦合预混燃烧方法,建立了液体冲压发动机不稳定燃烧计算模型。对模型发动机进行了不稳定燃烧数值研究,计算得到的发动机内压强振荡和火焰传播过程与文献中的实验数据吻合较好。结果分析表明,突扩构形发动机内大尺度的旋涡结构支配了燃烧室中的火焰传播过程,旋涡运动耦合非稳态的燃烧热释放是激发燃烧室低频压强振荡的重要原因。     

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。     

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。     

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。     

折流燃烧室燃烧流场大涡模拟

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构，对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程，获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态流场结构。数值计算结果表明：（1）冷热态下燃烧区流场结构分为主回流区和次回流区两部分，主回流区冷态时呈现多涡结构，热态时回流区形状受燃油射流影响呈现对称的双涡结构；（2）燃烧室中各涡团结构由各进气孔射流相互作用形成，涡团结构促进燃烧室内部的能量和质量交换；（3）热态时燃烧室前后涡流板周围存在两个稳定的点火源。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

突扩燃烧室低频压力振荡的大涡模拟

振荡燃烧是冲压发动机研制过程中面临的严峻问题,而振荡燃烧与涡运动规律密切相关,文中用大涡模拟的方法对突扩燃烧室冷态流动条件下的涡运动和低频压力振荡进行了模拟,并在此基础上得出了影响振荡频率和幅值的因素。     

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。     

横向射流对凹腔湍流特性影响的数值模拟

为拓宽先进旋涡燃烧室运用领域,探索横向射流与先进旋涡燃烧室凹腔之间的相互作用,采用数值模拟方法,研究了燃料横向射流对凹腔内旋涡结构和燃料分布的影响,以及射流对燃烧室湍流燃烧流动的作用规律。结果表明,冷态射流时,凹腔内湍流强度随射流中心距凹腔的距离增大而增大,且旋涡结构逐渐趋于均匀稳定对称;横向射流可加强燃料与空气的卷吸混合,同时加剧凹腔内质量扩散输运;射流燃烧时,凹腔内可形成高温区域,但旋涡流场由冷态时的两对旋涡结构转变为单对旋涡结构,且旋涡相对不稳定。     

加力燃烧室流场形态与振荡燃烧数值模拟

利用数值方法对发动机加力燃烧室内的流场形态和振荡燃烧进行模拟,获得流场平均参数及涡系结构,观察到燃烧室内火焰稳定器唇口附近剪切涡对选择模型的敏感性,发现火焰稳定器后的涡脱落和回流区的周期性变化是引起加力"蜂鸣"现象和振荡燃烧的重要因素,证明了Rayleigh准则在研究此类问题时的适用性.      

超声速燃烧室流场的数值模拟研究

用二维Ｎ－Ｓ方程的数值计算方法,模拟了超声速燃烧室内流场结构和性能。当量油气比φ＝０．３５和φ＝０．４６,燃烧室由扩张段和等截面段组成。在给定的进口状态下,计算结果与实验数据的比较表明,壁面压力和总压恢复系数相当符合。对计算的燃烧效率低于实验数据的原因进行了分析,对双模态超声燃烧室设计提出了改进的意见。     

台阶后横喷氢气超音速燃烧流场数值模拟研究

采用ＭｃＣｏｒｍａｃｋ格式、代数涡粘性湍流模型及有限速率化学动力学模型，用数值模拟方法研究了台阶后横喷氢气二元燃烧流场。数值计算结果表明：台阶的作用不仅能扩大火焰稳定性，而且增加氢射流对主流的穿透深度，提高燃烧效率；当进口气流Ｍ数越高，进口温度越高，油气当量比越接近于恰当比，壁面温度对流场的影响越大。还提出了在超音速气流中，横喷氢自动着火时滞的火焰稳定机理新观点，由此可更准确地预估自动着火点的位置及火焰稳定性。     

NUMERICAL STUDY OF TURBULENT SWIRLING FLOW IN COMBUSTOR

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＴＵＤＹＯＦＴＵＲＢＵＬＥＮＴＳＷＩＲＬＩＮＧＦＬＯＷＩＮＣＯＭＢＵＳＴＯＲＦｕＳｏｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，１０００...     

碳氢燃料超声速燃烧的化学动力学研究 (Ⅰ)甲烷超声速燃烧的简化化学动力学模型

采用雷诺平均Ｎ－Ｓ方程对碳氢燃料甲烷（ＣＨ４） 在超声速流动中混合燃烧过程进行了数值研究, 提出了简化的甲烷燃烧的反应机理及反应动力学模型, 建立了Ｂａｌｄｗ ｉｎ－Ｌｏｍ ａｘ 代数涡粘性湍流模型, 采用了高精度的ＴＶＤ隐式格式和化学源项隐式解法, 计算结果和氢气／空气超燃的计算结果进行了比较, 表明所采用的反应机理及计算模型合理, 算法可行, 就算例结果而言,碳氢化合物作为一种超燃燃料有其独特的优势, 值得进一步深入研究     

固体推进剂裂纹对流燃烧流场的数值模拟

对固体推进剂裂纹内的对流燃烧流场进行了数值模拟,计算采用隐式ＴＶＤ格式求解有加质的二维粘性可压流的控制方程,并且考虑了侵蚀燃烧效应,计算获得了对流燃烧条件下裂纹内部压力分布,讨论了裂纹长度、高度对裂纹尖端压力的影响。     

超音速燃烧二元流场的数值模拟

由二元超音速燃烧流场垂直喷射Ｈ２的数值模拟计算，描述了缝隙喷嘴附近氧气与空气的混合和燃烧过程，使用两步化学反应，ＭａｃＣｏｒｍａｒｋ显式时间分裂法和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ修正的代数湍流模型，计算超音速燃烧流场，得出了流线，静压，静温，Ｈ２和Ｈ２Ｏ浓度等值线图，反映了缝隙喷嘴附近回流区的大小，自动着火点的位置及火焰向主流的传播现象。     

发动机加力燃烧室湍流流场数值计算

采用非正交曲线坐标系下非交错网格的ＳＩＭＰＬＥ方法,对航空发动机加力燃烧室气相燃烧的湍流流场进行了数值计算,湍流模型采用ｋ－ε双方程模型,平均化学反应速率采用涡旋破碎模型（ＥＢＵ）计算,对ＥＢＵ模型的缺陷作了讨论。差分网格采用分区方法生成,计算时对整个流场进行分区迭代直至得到收敛结果,数值计算结果合理。     

三维侧面突扩燃烧室冷态气流场的数值模拟

本文对四侧30°进气并带有进气管道和尾喷口的突扩燃烧室冷态气流场进行了数值模拟.对这种复杂非规则边界的计算区域,首次采用分段算法进行计算.结果表明:分段算法可以提高网络利用率,缩短机时,消除虚假扩散,提高计算准确度,计算结果与试验结果基本符合.     

激光M-Z干涉法应用于超音速燃烧流场测量

纳秒级脉冲红宝石激光器作光源、一次成像的Polaroid相机接收图象的M－Z干涉系统用于超音速混合及燃烧流场的测量获得了清晰的干涉照片。利用计算机图像处理技术及自行开发的干涉图处理软件对获得的干涉图进行了处理，得到定量的燃烧流场密度分布。