双支板超燃冲压发动机燃烧特性研究

为研究分级喷注超燃冲压发动机火焰稳定、燃烧状态及火焰传播特性,以双支板超燃燃烧室为基本构型,开展了当量比连续调节试验研究。模拟低飞行马赫数5.5工况,燃烧室入口马赫数为2,总温1436 K,试验表明:燃烧室单独上游喷注熄火当量比为0.19,该值不受下游燃烧的影响;单独下游喷注熄火当量比为0.46,上游火焰会削弱下游当量比变化对壁面压力的影响,并且会使下游熄火当量比值降低。通过调节上游当量比可实现燃烧状态的转换,转换过程存在迟滞。模拟高飞行马赫数6.5工况,燃烧室入口马赫数为3,总温1 899 K,试验表明:随着总温的增加,单独上游喷注可实现点火和稳焰,上游火焰发生抬举,燃烧室抗反压能力增强,可喷注更多燃料。     

壁面喷射当量比对支板凹腔耦合燃烧的影响

在纯净空气来流条件下,对于全高后掠支板与凹腔耦合的燃烧室,采用分级喷射供油,对比研究了壁面喷射当量比对壁面压力和燃烧性能的影响。结果表明:在支板喷射当量比一定的情况下,随着壁面喷射当量比增加,壁面静压峰值升高,静压开始提升的位置向上游移动,总当量比达到1.1时发生溢流;一维分析表明,马赫数在支板附近降到1以下,在凹腔处达到0.5左右,在出口扩张段恢复至1以上,燃烧室处于亚燃模态;燃烧性能方面,保持支板喷射当量比一定,随着壁面喷射当量比的增加,总压恢复系数提高,出口总温增加,燃烧效率降低。     

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

一种单喷嘴推力室燃烧内流场的方法

为了方便开展单喷嘴气气喷注器燃烧试验研究,设计了一种燃烧室壁面测温,并结合推力室燃烧流场的非稳态数值模拟的方法,以考察燃烧室内流场的发展和燃烧完成情况.应用试验数据对不同的湍流模型和燃烧模型进行了对比研究,得到与试验结果较为吻合的计算模型.并应用该方法开展了同轴剪切式喷注器氢/氧喷注动量比、燃烧室压力变化的试验研究.试验结果表明喷注器掺混燃烧效果随氢/氧喷注动量比增加而增强,而不随燃烧室压力的变化而变化.     

甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况仿真与试验研究

基于简化化学反应模型，对甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况燃烧特性进行了仿真分析，并结合高模热试车对仿真结果进行了对比验证.结果表明：燃烧室压力在3.7 ms时基本达到稳定；而温度场在8 ms左右达到稳定，室压先于温度场达到稳定；燃烧室壁面液膜热流密度先增大后降低，脉冲工况下发动机推力室壁面液膜冷却效果受脉冲宽度影响较大；不同的脉冲宽度下，燃烧室内的压力上升过程相同，关机后的压力下降过程也基本相同，发动机在2.5~3 ms后能够输出较稳定的推力或冲量.     

本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理

采用速度匹配法结合壁面淬熄分析甲烷本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理,得到了贫油与富油状态下火焰稳定点不同的移动规律,定量预测了火焰吹熄特性关系,并通过实验验证.火焰稳定点在本生灯出口附近的边界层中,该处的火焰传播速度与预混气来流速度相平衡;而在边界层中,以火焰稳定点为起点,存在一个可点火区域.随着来流预混气流速的增大或者当量比远离恰当比,这一可点火区域逐渐缩小,直至成为一个点,此时即为熄火的临界状态.通过比较近壁面的当地气流速度与火焰传播速度,并采用非耦合的方法分析壁面淬熄的影响,得到了火焰稳定点的移动规律.在径向上,火焰稳定点随来流速度增大向射流中心线方向移动;在轴向上,随流速增大,贫油工况下稳定点向下游移动,富油工况时则向上游移动.根据火焰稳定点移动规律结合可点火区域分析定量预测了吹熄特性,通过了实验验证,证明了火焰的熄火机理.     

应用气动斜坡和燃气发生器的超燃燃烧室

为增强超声速燃烧过程中的燃料掺混,设计了一种被动式燃料掺混增强结构:气动斜坡/燃气发生器组合燃料喷注结构,并在直连式超燃试验台上对这种喷注结构进行了纹影、油流谱等冷试和热试试验.同时数值模拟了超声速流场中气动斜坡/燃气发生器组合结构的流动及燃烧特性.结果表明:气动斜坡/燃气发生器组合结构有助于燃料的掺混,掺混效率由单独气动斜坡喷注器情况下的60%提高到了75%;总压损失主要由壁面摩擦产生,气动斜坡和燃气发生器产生的总压损失相对较少;作为燃烧室点火器使用的燃气发生器起着点火和助燃的双重作用.      

本生灯预混火焰淬熄距离实验分析

淬熄距离是表征壁面淬熄效应的一项重要参数.通过直接拍摄火焰位置图片,得到甲烷本生灯预混火焰淬熄距离随来流预混气速度与当量比的变化关系.实验结果表明,本生灯火焰淬熄距离随来流速度的变化规律在不同当量比范围内是不同的.而在同一速度下,随来流当量比增大,淬熄距离贫油时减小,富油时先增大再减小,最后在某一当量比时淬熄距离保持一个定值.这一变化关系是由来流预混气对壁面的冷却作用和火焰面对壁面的加热作用共同影响所造成的,尤其是富油预混火焰的双层结构会极大地影响淬熄效应.      

同轴撞击气-气喷嘴数值模拟和实验

为进一步深入研究喷嘴结构参数对气-气掺混燃烧特性的影响,针对氢向氧斜喷带撞击角度的气-气喷嘴开展了实验和数值模拟.实验研究了撞击角度对燃烧效率和燃烧室壁面温度的影响,数值仿真分析了撞击角度对喷注面板和氧喷嘴管壁温的影响.结果表明:随着氢向氧撞击角度的增大,推进剂燃烧效率、燃烧室壁面和氧喷嘴出口管壁面热载降低;氢向氧撞击角度的引入,增大了喷注面板热载.      

激光与热丝点火对多组分液滴着火及燃烧的影响

采用挂滴方法,实验研究多组分单液滴的着火和燃烧特性,考察激光和热丝两种点火方式对液滴燃烧速率、火焰形貌及着火延迟时间的影响.实验结果表明,随着热丝点火时间增加,燃烧速率因液滴周围自然对流增强而加快.常重力下液滴火焰为包覆型火焰,火焰高度与液滴初始直径之比的最大值约为18.当t/t_b>0.4时,尚处于热丝加热阶段的火焰高度比没有热丝加热的高约5D₀,比激光关闭后的火焰高度高5~10D₀.与热丝点火相比,激光点火响应迅速,对液滴附近气体干扰小,是地面上比较理想的点火方式.固定激光脉冲时间,随着激光强度的增加,单液滴的着火延迟时间缩短.      

全二维气相色谱用于航天煤油组成的研究

利用全二维气相色谱,结合飞行时间质谱和火焰离子化检测器,对航天煤油组成进行了定性和定量分析,根据试验结果分析了族组成、碳数分布与航天煤油性能之间的关系。研究结果表明：该航天煤油主要由异构烷烃、单环环烷烃、双环环烷烃组成,具有高燃烧值和良好的稳定性。研究结果可以为航天煤油组成的分析和优化提供依据。     

热膜测量超音掺混流氦浓度的研究

在时燃烧喷氦的冷流试验中，利用吸气式热膜浓度感头，直接测量局部混气的热膜电压，由此根据静交准可获得超音速流通掺混层氦气深度这种局部混气深度测量方法不需要取样及气体分析，实验表明，这种吸气式热膜深度感头测量的相关参数具有良好的精度。     

煤基费托航空燃料燃烧性能及航程

航空替代燃料肩负着能源安全以及环境保护的双重使命。对煤基费托航空燃料的基础燃烧性能及航程进行了实验和理论研究。针对民航客机典型飞行任务,选取装有2台CFM56-7B发动机的B737-800型客机进行全包线飞行的航程评价。研究结果表明,煤基费托航空燃料比石油基航空煤油密度低,但热值高。评价结果表明使用煤基费托燃料的客机航程比使用石油基航空煤油的客机缩短2.1%。同时,虽然煤基费托航空燃料的燃烧边界较石油基航煤略窄,但更易点火且不易积碳。取得的结果对煤基费托航空替代燃料的实际应用具有一定的指导意义。      

内混音速空气雾化重油喷嘴的试验研究

在横向气流中直射喷嘴雾化研究及超音速气流中喷嘴雾化研究的基础上,针对工业窑炉中烧嘴以重油(通常为油渣)工作的问题,设计和试验研究了内混音速气流两次空气雾化重油喷嘴,从原理上解决了喷嘴雾化细度(燃烧完全)和火焰长度(刚性)之间的矛盾。文中得出合理选择这种喷嘴的结构形式、几何尺寸以及混合腔压力,同时得出很好的雾化细度以及要求的火焰长度。结果表明,混合腔压力与供气压力之比应在0.60～0.70之间,所需压缩空气的压力为0.4MPa,所设计的喷嘴已投入使用。     

进气道进口几何参数模糊优化设计

重点研究二维两波系超音速外压式两侧/侧腹进气道的进口几何参数的气动力/隐身一体化优化设计,主要考虑进气道的压缩板角、唇口斜切角、罩唇位置角、进口宽度、进口宽高比等进口几何参数所决定的一些气动力性能,如总压恢复系数,超音速溢流附加阻力系数及电磁散射机理如压缩楔板的表面散射、楔板及唇口的边缘绕射,采用基于目标满意度和约束满足度的模糊优化模型,进行了优化计算.