当量比对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

针对分层旋流燃烧室,实验测量了不同分级比和油气比下的动态压力。结果显示:在总燃烧当量比0.47~0.68,主燃级当量比0.48~0.65范围内,燃烧室内的压力脉动幅值随当量比增大而增大。基于层流火焰模型和局部火焰吹熄假设,公式推导了吹熄前后火焰厚度、火焰长度、层流火焰传播速度、气流速度间的关系,得出燃烧不稳定下的压力脉动幅值ps′与层流火焰传播速度SL0成正比,结合贫油状态下SL0随当量比增大而增大这一事实,得出ps′随当量比增大而增大,从而解释了实验结果。     

进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

为了研究进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响,实验在单头部燃烧室上测量了不同进口温度下的动态压力,并采用理论分析了进口温度对压力振荡的影响。实验结果显示:该燃烧室出现的燃烧不稳定性呈现的是Helmholtz模态,并且随着进口温度从530K增加至650K时,压力脉动主频增加,幅值减小。分析表明:进口温度的增加会增强燃油的雾化和蒸发,进而加强其与空气的掺混均匀性,减小了当量比脉动,从而抑制了燃烧不稳定性,压力振荡幅值减小。      

模型燃烧室低频不稳定燃烧的初步探讨

对模型燃烧室在贫油预混条件下产生的燃烧不稳定性的特性进行了初步研究。实验研究了当量比、预混气的喷射速度和燃烧室出口面积对不稳定燃烧的频率和幅值的影响。实验结果表明:在很宽的油气比和速度范围内,出现了燃烧不稳定现象,但振荡的主频集中在200～235Hz之间;随着预混气喷射速度的增加,燃烧不稳定发生的频率和幅值都增加;随着燃烧室出口面积的减小,不稳定燃烧发生的振荡幅值增加而频率却减小,表明不稳定模态发生了变化。      

入口流动参数脉动对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定的影响

通过均匀搅拌器(PSR)模型研究了某型燃气轮机燃烧室入口流动参数脉动对燃烧不稳定的影响.研究结果表明:对于贫预混燃烧室(燃烧室工作在较低的入口当量比下)来说,当入口温度、入口气体流量和入口当量比的相对脉动幅值相同时,入口当量比的脉动对燃烧不稳定性的影响最大,其次是入口气体流量,而入口温度的脉动对燃烧不稳定性的影响相对较小.      

脉动来流对涡轮非定常气动性能影响机理

以周期性脉动来流模拟旋转爆震燃烧室出口流场,研究了来流脉动幅值和频率对GE-E3高压涡轮级非定常内流特性的影响机理。结果表明:来流脉动幅值的增加会加强涡轮内部流场的非定常性,放大流场参数的时空差异;随着脉动频率的增加,涡轮内部流场的脉动幅值逐渐减弱,不同动叶时均载荷分布趋于一致。在来流脉动频率为5 244 Hz的条件下,来流脉动系数逐步增加到04时,涡轮效率降低1399%;而在来流脉动系数为03的条件下,来流脉动频率逐步增加到10 488 Hz时,涡轮效率降低1557%。来流脉动幅值和频率的增加会加剧端壁二次流动和叶栅流动分离,并使得动叶进气攻角偏离设计状态,降低涡轮的工作效率。     

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。     

中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究

针对CH4和中热值合成气的旋流燃烧室进行了PIV测量,获得了不同燃料燃烧对火焰流场变化的影响。实验结果表明：在相同入口条件下,合成气燃烧时的火焰张角略大,回流区宽度和回流强度均高于CH4火焰,燃气流量较低时,合成气火焰的湍流强度更大,燃气流量增大后,CH4的燃烧脉动速度逐渐增大并超过合成气。     

横截面积对燃烧室内压力振荡及NO_x生成特性的影响

为了研究燃气轮机燃烧室结构对其性能的影响,采用三维全可压缩大涡模拟方法分析了燃气轮机燃烧室横截面积对燃烧室内压力振荡及NOx生成特性的影响规律。分析表明:增大横截面积加速了射流的衰减过程,流体的发散角增大,中心回流区的范围扩大,回流速度则有所降低。中轴线附近,正向流动区域的范围扩大。由于径向旋流器与预混段的结构保持一致,不同横截面积时,上游流场中的进动涡核结构相似。增大横截面积使得燃烧室内声学耗散作用增强,压力振荡的幅值有所降低,因此,采用较大的燃烧室横截面积有利于抑制燃烧不稳定性现象的发生。由于峰值温度均超过1800K时,增大横截面积所导致的温度下降抑制了NOx的生成,有利于控制NOx排放。     

超燃冲压发动机燃烧室的准一维计算与分析

在考虑有限速率化学反应的准一维Euler方程基础上,通过增加截面面积变化、壁面摩擦和添质的源项,发展了适用于超燃燃烧室性能分析的准一维计算方法。依次以中国空气动力研究与发展中心(CARDC)和日本国家航空与航天实验室(NAL)的氢燃料燃烧室模型作为验证算例,分别采用传统的一步反应模型和发展的有限速率反应模型,模拟了燃烧室流场,并基于NAL燃烧室,计算分析了不同当量比和进口压强对燃烧室流动特性的影响。结果表明:两种方法都能得到与实验数据吻合良好的结果;和一步反应模型相比,有限速率反应模型不仅可以更细致地捕捉流场细节,而且能够初步分析化学非平衡效应的影响;对于NAL燃烧室,当量比≥0.6时,压强随当量比的升高而增大,当达到1.0时,反压已推进隔离段,且推进速度随当量比增大而增加;进口压强不大于110.444kPa时,反压随进口压强增大而升高,且当反压不小于82.833kPa时,反压被隔离在等直段燃烧室入口处;过小的当量比和过大的进口压强均会导致燃烧室出口马赫数严重下降,甚至出现亚声速出流状态。     

超燃冲压发动机燃烧室的准一维计算与分析

在考虑有限速率化学反应的准一维Euler方程基础上，通过增加截面面积变化、壁面摩擦和添质的源项，发展了适用于超燃燃烧室性能分析的准一维计算方法。依次以中国空气动力研究与发展中心（CARDC）和日本国家航空与航天实验室（NAL）的氢燃料燃烧室模型作为验证算例，分别采用传统的一步反应模型和发展的有限速率反应模型，模拟了燃烧室流场，并基于NAL燃烧室，计算分析了不同当量比和进口压强对燃烧室流动特性的影响。结果表明：两种方法都能得到与实验数据吻合良好的结果；和一步反应模型相比，有限速率反应模型不仅可以更细致地捕捉流场细节，而且能够初步分析化学非平衡效应的影响；对于NAL燃烧室，当量比≥0.6时，压强随当量比的升高而增大，当达到1.0时，反压已推进隔离段，且推进速度随当量比增大而增加；进口压强不大于110.444kPa时，反压随进口压强增大而升高，且当反压不小于82.833kPa时，反压被隔离在等直段燃烧室入口处；过小的当量比和过大的进口压强均会导致燃烧室出口马赫数严重下降，甚至出现亚声速出流状态。     

节流通道振动对流动振荡的数值模拟研究

在由于超燃冲压发动机空间狭小,经常通过测量节流结构的压差来反算燃料流量。然而,我们在实验中发现渐缩渐扩结构通道在振动环境中会引起燃料的流动振荡现象,具体体现在喉部两端压差发生周期性变化,导致流量测量出现偏差,甚至会导致传热恶化和结构的损坏。为了了解流动振荡的机制,我们建立了渐缩渐扩通道的三维模型,并通过实验数据进行了验证。本文分析了振动环境下渐缩渐扩通道中流体动力学特性,研究了不同条件下稳定流场和非稳定流场,分析了雷诺数和振动强度对流动振荡的影响。研究表明,管道振动方向和流动方向一致时,导致流动分离区域和主流区域周期性的运动,从而导致流动振荡现象。流体雷诺数、振动强度和振动频率会影响流动分离区域的运动,从而影响到流动振荡。本文解释了振动环境下的渐缩渐扩管道的流动振荡现象,为流量计的设计提够了理论指导。     

冲压发动机助推段压强振荡现象数值分析

为了揭示串连式冲压发动机飞行助推段进气道和补然室内压强振荡产生的机理,针对冲压发动机的助推段开展了进气道和补燃室内流动的大涡模拟,获得了进气道和补然室内压强振荡的频率和振幅,并和飞行实验数据进行了对比。结果表明,在助推段串连式冲压发动机进气道和补燃室内发生的压强振荡现象属于典型的整体模式不稳定现象;助推飞行马赫数、飞行高度的变化对整体模式不稳定现象压强振荡的频率和振幅影响不大。     

超临界正癸烷同轴剪切喷注热声振荡数值模拟

以液体火箭发动机同轴剪切喷嘴燃烧室作为研究对象,对超临界压力下低温正癸烷向高温正癸烷喷注过程中,由于高温正癸烷被快速冷却导致密度剧烈变化进而引发的热声振荡现象进行数值模拟。研究了出口压力、高温正癸烷流动速度与温度、低温正癸烷喷注速度与温度对热声波振幅与频率的影响。结果表明：当高温正癸烷被快速冷却时,其自身体积快速收缩,同时由于附近高温正癸烷的惯性导致压力先增大后减小,快速交替变化,从而产生热声波在高温正癸烷中传播。热声波振幅与频率的大小主要由高温正癸烷在不同压力与温度下的热物性决定。热声波的频率随着高温正癸烷声速增大而增大;热声波的振幅由高温正癸烷的相对压力系数与温度变化率共同决定。     

冲压发动机超声速进气道流动自激振荡研究

当冲压发动机超声速进气道工作在一定条件下时,会出现自激振荡现象.采用数值模拟方法研究了某超声速进气道结构的自激振荡现象,分析了振荡时进气道内流场的变化过程.研究表明发生自激振荡时进气道中流动产生大幅脉动,造成进气道壁板结构承受周期变化的气动载荷,载荷振荡频谱中包含多个特征频率,其与声模态频率相重合,表明自激振荡现象与声模态的相关性.      

周期节流扰动下激波串振荡流动的数值模拟

基于动网格方法数值模拟并分析来流马赫数为6，二元进气道/隔离段构型在频率为50～500 Hz周期节流下的激波串振荡流动。结果表明：当节流比在0.2～0.32范围内周期变化时，隔离段出现与节流频率相同的激波串振荡现象。节流频率会影响激波串振荡幅度和壁面压强波动特性。50 Hz与100 Hz工况的激波串流向振幅相近，100～500 Hz范围内随频率增加，流向振幅从15.5 mm减小至10.8 mm。壁面压强随频率的变化规律更加复杂，以凹腔中部为界，其上游壁面压强时均值、均方差峰值整体随频率增加而降低，其中50 Hz工况唇口侧壁面压强均方差峰值可达21倍来流静压，但其下游壁面压强无明显规律。分析表明节流频率对激波串振荡的影响与节流扰动的传播时间相关，工程设计中需综合考虑构型与反压参数对激波串振荡的影响。     

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.     

高速进气道低马赫数不起动特性及马赫数影响规律

为了探究进气道低马赫数不起动时的振荡特性,本文结合一体化前体/进气道构型,通过非定常仿真手段,对比研究了来流马赫数变化对进气道低马赫数不起动振荡流场以及飞行器气动力的影响规律。结果表明：低马赫数不起动时出现了稳定的振荡周期,且周期随着来流马赫数的增大而增长。由于拥塞发生在喉道处,其振荡流场单纯的表现为口部分离包的涨大和缩小,并且沿程压力的均值和幅值都呈现出喉道高两头低的分布趋势,而马赫数的增大会加剧此趋势。喘振周期中升力系数CL和阻力系数CD的变化趋势大致相反,升阻比曲线则表现为随分离包吐出而增大、吞入而缩小的趋势。CL和CD随着马赫数增大是整体下降的,但是脉动幅值变化不大,升阻比对马赫数的变化也并不敏感。此外,在进气道实现自起动过程中,当喉道瞬时流量高于起动时的流量一定程度,口部分离包将完全吞入。但定常仿真难以准确模拟该吞入过程,因此定常仿真得到的自起动马赫数偏高。     

Unsteady supercritical/critical dual flowpath inlet flow and its control methods

The characteristics of unsteady flow in a dual-flowpath inlet, which was designed for a Turbine Based Combined Cycle(TBCC) propulsion system, and the control methods of unsteady flow were investigated experimentally and numerically. It was characterized by large-amplitude pressure oscillations and traveling shock waves. As the inlet operated in supercritical condition,namely the terminal shock located in the throat, the shock oscillated, and the period of oscillation was about 50 ms, while the amplitude was 6 mm. The shock oscillation was caused by separation in the diffuser. This shock oscillation can be controlled by extending the length of diffuser which reduces pressure gradient along the flowpath. As the inlet operated in critical condition, namely the terminal shock located at the shoulder of the third compression ramp, the shock oscillated,and the period of oscillation was about 7.5 ms, while the amplitude was 12 mm. At this condition,the shock oscillation was caused by an incompatible backpressure in the bleed region. It can be controlled by increasing the backpressure of the bleed region.     

水下超声速气流流场非定常特性研究

上浮水雷在工作过程中环境压力大幅度变化，针对上浮水雷火箭发动机具有三种不同工作状态（欠膨胀、完全膨胀、过膨胀）的特点，采用VOF两相流模型，建立了水下火箭发动机在不同工作状态喷射流发展的轴对称计算模型，分别在来流速度0m/s和50m/s两种工况下，研究了水下发动机在不同工作状态时喷射流发展规律及流场脉动特性。结果显示，在静水条件下，欠膨胀工况时颈缩发生位置距喷管出口较远，流场压力和喉部流量没有发生脉动现象，其它工况时颈缩发生位置距喷管出口较近，完全膨胀工况和过膨胀工况喷管出口最大压力振幅分别为5.5MPa，7MPa；喷管喉部流量振动幅度约为5.2%，32.8%；在有流速条件下，三种工作状态发生颈缩、胀鼓和回击现象的位置距离喷管出口较远，完全膨胀喷管出口最大压力振幅为2MPa，喷管喉部流量未发生脉动特性，过膨胀工况喷管出口最大压力振幅6.1MPa，喉部流量振动幅度30.4%。     

高频高速流体振荡器工作特性

设计了一种新型高频高速流体振荡器,并采用热线风速仪、高频动态压力传感器等测量手段,对其频率-压力响应特性、速度-压力响应特性及内部压力传播特性进行了实验研究。结果表明:设计的流体振荡器工作频率约为900 Hz,进出口压比为2时,其出口射流速度范围为75~239 m/s。建立了振荡周期/频率与内部尺寸的关系式,验证了振荡器内部的压力传播与反射机制,并用压力的作用机制解释了射流偏转的两个阶段,为今后设计不同流动条件下所需的流体振荡器提供了设计思路。