双组元推力器雾化燃烧过程数值模拟及液膜冷却作用分析

在带有液膜冷却双组元推力器的设计过程中,对燃烧室的数值仿真是一项非常重要的工作.充分考虑了常被忽略或简化处理的推进剂雾化、液滴破碎、液膜形成等重要过程,选取EDC燃烧模型和realizable k-ε湍流模型,采用有限体积计算方法得到燃烧室内部液滴分布、液膜分布、静温分布等重要数据.最后,根据所得结果阐述了燃烧室内的详细工作过程,并着重分析了液膜的分布特点以及对壁面的冷却作用,得到了两个与液膜冷却相关的结论.     

双组元推力器喷注角度对液膜分布的影响分析

为了研究双组元推力器喷注角度对液膜分布的影响,基于气液两相模型建立某型双组元(MMH/NTO)推力器燃烧室内雾化、液膜、流动的数学模型,忽略了燃烧过程,同时假设喷注推进剂全部为NTO,采用有限体积的数值方法计算了不同喷注角度下燃烧室壁面液膜的分布情况.通过分析计算结果得出随着喷注角度的增加,液膜区域向喷注壁面靠近;不同喷注角度下的液膜长度均为30mm左右,喷注半角为45°～55°时,液膜平均厚度变化明显.     

基于凹槽火焰稳定器的煤油超声速燃烧试验

在直联式超声速燃烧试验台上进行了煤油的超声速燃烧试验,使用了4种不同结构的凹槽火焰稳定器和多种直径的煤油喷嘴,煤油当量比0.24~1.32,引导氢当量比0.53,在多种工况下均实现了煤油的成功点火和稳定燃烧.通过测量燃烧室壁面静压分布比较不同工况下煤油燃烧性能.研究发现:凹槽结构对煤油的点火性能影响较大,较大的凹槽长深比更有利于煤油的点火,部分凹槽能在无引导氢条件下实现煤油自燃点火;试验中使用的4种凹槽均有较好的火焰稳定效果,煤油燃烧时燃烧室壁面压力平稳;煤油当量比是影响煤油燃烧性能的最主要因素.在煤油当量比相同的条件下,较高的喷注压力能够提高煤油的燃烧性能.      

模型燃烧室内不稳定燃烧发展过程的数值分析

为了对自燃推进剂燃烧室内出现的不稳定燃烧现象进行详细分析,采用欧拉-拉格朗日方法对该燃烧室内的气液两相非稳态燃烧过程进行了数值模拟,计算得到的压力振荡幅值和频谱特性与实验结果吻合较好,在此基础上对不同燃烧阶段内的压力和释热变化规律进行了分析。结果表明:在压力振荡幅值超过10%的不稳定燃烧阶段,压力振荡主频为9 200 Hz,燃烧室内横向压力分布与1阶切向振型一致,仿真中再现了1阶切向自激高频不稳定燃烧的产生及发展过程;稳定燃烧向不稳定燃烧转变早期,压力振荡从部分燃烧释热波动中获得能量,压力振荡幅值缓慢增长;随着燃烧进行,燃烧释热波动与压力振荡之间相位和频谱特性逐渐趋于一致,压力振荡幅值开始急剧增大;当二者完全耦合时,燃烧室内压力振荡幅值达到极限饱和状态,此时压力振荡幅值超过了平均室压的200%。      

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。     

涡扇发动机地面起动过程性能模拟

用积分方法建立了混合排气加力涡扇发动机起动过程模拟模型并用该模型进行了仿真计算,模型基于气动热力学方程、各部件特性以及经验关系式,根据给出的发动机起动过程初始条件、燃烧室供油规律等进行计算.为说明所建立的起动性能模型的模拟效果,将程序计算结果与试验结果进行了比较,结果表明该起动仿真模型能较准确地模拟混排加力涡扇发动机的地面起动过程.还分析了计算过程中对起动过程有比较大影响的因素,包括计算时间步长,起动机脱开转速,燃烧室总压恢复系数的经验系数,大气温度、压力以及海拔高度等.了解这些因素对起动过程及模拟结果的影响,便于通过修正的途径将该计算方法用于发动机地面起动性能的准确模拟.      

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.     

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。     

弹道导弹在被动段轴向加速变轨弹道设计与优化

针对在被动段脉冲发动机轴向加速变轨突防弹道计算建立了飞行动力模型,通过弹道仿真计算分析了脉冲发动机点火时间和脉冲发动机工作时间对弹道的影响.脉冲发动机总冲一定时,短时间-大推力模式下导弹的射程最大.在爬升段点火时,短时间-大推力导弹能量利用最高;在下降段点火时,长时间-小推力能量利用率最高.同时提出了脉冲轴向加速变轨突防弹道优化的约束条件,并对该问题进行了优化计算,优化后的发动机质量比优化前减少了24.87%.     

等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响

为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。     

进气道结构对固体冲压发动机补燃室燃烧及内壁流场的影响

为研究进气道结构对固体冲压发动机补燃室燃烧及内壁烧蚀的影响,采用标准k-ε湍流模型,单步涡耗散燃烧模型与KING硼粒子点火燃烧模型,开展了双下侧90°进气结构和双侧180°进气结构固体冲压发动机补燃室内燃气燃烧数值模拟,对比分析了补燃室燃气燃烧流场特征和内壁烧蚀环境特征。结果表明:双侧180°进气结构在补燃室中形成大漩涡,有利于燃气与空气的掺混燃烧,至补燃室出口位置,总燃烧效率超过90%,且该结构有效减少了粒子对内壁的冲刷侵蚀;在双下侧90°进气结构补燃室中,凝聚相粒子和燃气贴近补燃室一侧运动,导致氧气浓度和温度分布不均,不利于燃气的掺混燃烧,总燃烧效率为74%,在远离补燃室进气道一侧形成高温热烧蚀、高浓度粒子侵蚀、高速射流冲刷和热应力集中的综合破坏;双侧180°进气结构的固体冲压发动机补燃室总体性能优于双下侧90°进气结构的冲压发动机补燃室。      

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.     

中国空间站燃烧科学实验系统燃烧室设计与分析

中国空间站燃烧科学实验系统能够在轨进行多种燃料的微重力燃烧实验，其关键组件燃烧室是可实现密封的压力容器，为实验插件提供机械、氧化剂、废气排放、供电、控制、冷却等接口，支持实验插件完成相关功能.本文依据承压范围、漏率、透射光波段等设计技术指标进行燃烧室结构设计与力学分析.燃烧室采用分段式结构，由合叶门、锁紧圈、连接环、筒体等组件依次连接组成，连接结构处使用密封圈.通过燃烧室的承压分析、模态分析以及随机响应分析，校核了燃烧室结构的强度、刚度及随机振动响应特性，验证了燃烧室设计的安全性与可靠性，能够满足发射及在轨工作要求.      

基于激光诊断技术的汽油直喷发动机喷雾机理

汽油直喷喷雾贯穿度、锥角等宏观喷雾特性，对研究汽油直喷发动机喷雾及燃烧的发生、发展具有重要意义。在设计并建立汽油直喷（GDI）系统的基础上，搭建定容燃烧弹系统和激光测试系统，基于LSD测试技术，研究了喷油压力和背景压力对汽油直喷宏观喷雾特性的影响。通过试验发现，随喷油压力增加，相同喷油时刻下的贯穿度逐渐增加。随背景压力增加，相同喷油时刻下的贯穿度逐渐减少。在不同喷油压力和背景压力下，随着喷射时间的发展，贯穿度均逐渐增加，喷雾锥角为38°~50°。      

Atmospheric leakage and method for measurement of gas exchange rates of a crop stand at reduced pressure.

The variable pressure growth chamber (VPGC) was used in a 34-day functional test to grow a wheat crop using reduced pressure (70 kPa) episodes totalling 131 hours. Primary goals of the test were to verify facility and subsystem performance at 70 kPa and to determine responses of a wheat stand to reduced pressure and modified partial pressures of carbon dioxide and oxygen. Operation and maintenance of the chamber at 70 kpa involved continuous evacuation of the chamber atmosphere, leading to CO2 influx and efflux. A model for calculating CO2-exchange rates (net photosynthesis and dark respiration) was developed and tested and involved measurements of chamber leakage to determine appropriate corrections. Measurement of chamber leakage was based on the rate of pressure change over a small pressure increment (70.3 to 72.3 kPa) with the pump disabled. Leakage values were used to correct decreases and increases in chamber CO2 concentration resulting from net photosynthesis (Ps) and dark respiration (DR), respectively. Composite leakage corrections (influx and efflux) at day 7 of the test were 9% and 19% of the changes measured for Ps and DR, respectively. On day 33, composite corrections were only 3% for Ps and 4% for DR. During the test, the chamber became progressively tighter; the leak rate at 70.3 kPa decreasing from 2.36 chamber volumes/day pretest, to 1.71 volumes/day at the beginning of the test, and 1.16 volumes/day at the end of the test. Verification of the short-term leakage tests (rate of pressure rise) were made by testing CO2 leakage with the vacuum pump enabled and disabled. Results demonstrate the suitability of the VPGC or conducting gas exhange measurements of a crop stand at reduced pressure.     

高超声速飞行器冲压燃烧室随机振动响应分析

利用高超声速冲压发动机燃烧室结构试验结果完成了地面试验状态下燃烧室壳体复杂结构随机振动响应分析,并与试验结果进行了对比分析,试验验证了所采用的飞行器复杂结构随机振动响应分析方法和技术途径.在此基础上,采用试验压力载荷数据,对飞行状态下燃烧室结构的随机振动响应进行了分析,得到燃烧室结构加速度响应的功率谱密度曲线及均方根值,该项工作对飞行器的动力环境初步预示工作具有重要的工程应用价值.      

有限振幅扰动下高超声速钝楔绕流感受性

为了研究自由流脉冲波作用下高超音速流动感受性特征,采用高阶有限差分方法模拟钝楔超高音速绕流中来流慢声脉冲波作用下的非定常流场,并应用傅里叶频谱分析了边界层扰动模态的演化.结果显示,自由流脉冲扰动下,边界层不同模态波沿流线呈现不同变化规律.球头区边界层感受到的主要是基频波,在球头向非球头区过渡段,主导模态迅速向高频迁移;在非球头区,主导模态频率缓慢向高频迁移.总的来说,沿流向总扰动模态中的低频模态成分变小,高频,特别是二阶谐频附近模态成分显著地增大.沿流线发展,边界层不同扰动模态之间存在伴随能量迁移的模态竞争物理现象,主导模态的发展对其他模态有很强的抑制作用.      

减压直流等离子体射流电子温度的双静电探针测量

建立了一套双静电探针诊断系统,用于检测在气流量为4．2slm、弧电流为80A、真空室压力为165Pa的条件下纯氩直流非转移弧等离子体射流的电子温度及其分布。结果表明：发生器出口处射流中心的电子温度约为14500K,射流中电子温度随离开发生器出口的轴向或径向距离的增加而单调降低;径向电子温度梯度约为263K／mm,轴向电子温度梯度为69K／mm;射流中电子温度随弧电流增加而单调上升。