超燃冲压发动机多凹腔燃烧室混合与燃烧性能定量分析

为从定量上研究超燃冲压发动机多凹腔燃烧室对增强混合、燃烧的影响,用大涡模拟方法和火焰面模型对燃料当量比为0.062的流场进行数值模拟。比较了不同多凹腔构型对混合效率、燃烧效率和总压损失的影响,并结合壁面压力分布、数值纹影解释了其原因。结果表明,凹腔串联、凹腔并联均能增强混合,混合效率最大可提高20.95%和9.52%;凹腔串联、凹腔并联均能增强燃烧,燃烧效率最大可提高14%和16.94%;燃烧时凹腔串联总压损失最小,但凹腔并联燃烧放热最快,对缩短燃烧室长度有利。     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

超声速燃烧数值模拟中的湍流与化学反应相互作用模型

高精度数值模拟有助于理解超声速湍流燃烧中湍流与化学反应的相互作用,可为发动机燃烧室等工程应用设计提供可靠的预测模型。除直接数值模拟外,目前在湍流燃烧应用中使用的大涡模拟和雷诺平均Navier-Stokes模拟均需要借助模型模化发生在湍流小尺度上的流动与化学反应过程对湍流大尺度运动的影响。现有的湍流与化学反应相互作用模型大致可分为:火焰面类模型和概率密度函数类模型,2类模型在不同的应用中各自具有优势和局限性。此外,现有模型大都基于低马赫数燃烧,而超声速燃烧中通常会伴随快速混合、局部熄火和再着火以及激波等复杂过程,这为发展其中的湍流与化学反应相互作用模型提出了更多的挑战。     

超声速气流中的斜激波诱导自点火

在来流马赫数为2.5的条件下对氢气和乙烯燃料的斜激波诱导自点火过程进行了试验研究.采用纹影和高速摄影获得了自点火初始火核的形成和发展过程.试验考察了不同的来流总温、喷注条件、凹腔长度、斜激波强度等因素对自点火过程和点火边界的影响.研究结果表明:入射斜激波能够提高气流的局部参数起到强化自点火的作用.凹腔内形成的低速回流区有助于初始火核形成后的火核逆流传播,并起到防止初始火核因气流振荡而吹脱的稳定源作用.增加喷注压力、增加凹腔长度、提高来流总温有助于自点火的发生.      

超声速气流中液滴破碎的大涡模拟

为了研究超声速气流中的液滴破碎过程,采用基于CLSVOF界面追踪方法的大涡模拟方法。该方法中用可压流和不可压流求解器分别计算超声速气流流场和液体流场,并且在分别计算气相或液相时,另一相作为该相计算时的边界条件参与计算,从而实现可压流求解器和不可压求解的融合。通过去散度化液体速度外推解决界面处大液气密度比所带来的动量误差大的问题。利用该方法对来流Ma=1.358的超声速气流中的水滴破碎进行了数值模拟。模拟结果展示了超声速气流中液滴破碎的几何结构变化细节和基本破碎形态,且与实验吻合较好。数值模拟结果揭示了Rayleigh-Taylor不稳定和气动剪切力对液滴破碎的作用过程。破碎过程中,液滴在垂直来流方向上的最大无量纲宽度(Dmax/D0)约为4.5,无量纲破碎时间(tbU∞/D0)约为29.85。     

预燃室低频不稳定燃烧仿真研究

为弄清燃烧不稳定性激励机制,建立了氢氧预燃室低频燃烧稳定性分析数学模型,利用MATLAB/SIMULINK集成软件包搭建仿真平台,研究了与供应系统耦合的低频不稳定燃烧。结果表明:在各种不稳定激励因素中,氧的喷注压降对稳定性影响最为显著,当其值低于某一稳定边界时,出现极限环振荡,提高氧的喷注压降可以非常有效地抑制低频不稳定燃烧;当氧的喷注压降位于稳定边界附近时,混合比将对稳定性产生一定影响,降低混合比可以较好地抑制低频不稳定;氢的喷注压降对低频燃烧稳定性影响很小。     

超声速燃烧气动斜坡喷注器研究

为增强超声速燃烧过程的燃料混合,设计了通过喷嘴阵列形成流向涡强化混合的气动斜坡实验件.在直连式实验台上对气动斜坡实验件进行了纹影及油流谱等冷试实验研究.并采用大涡模拟(LES)方法数值模拟了超声速流场中气动斜坡的流动及燃烧特性.结果表明:气动斜坡喷注器的喷嘴阵列设计能有效加速喷流后流向涡的卷起,提高掺混特性;其燃烧过程也能使喷流形成的剪切层上抬,增进混合;由于喷流方向与主流方向夹角较小,总压损失也较物理斜坡、横向喷流等混合增强方式小.      

基于丙酮/CH2O双组分PLIF技术的横向声波激励预混火焰未燃区/预热区特性研究

热声不稳定问题是航空航天动力装置发展中的难题之一,针对预混燃烧火焰的热声不稳定机理研究是解决实际发动机热声振荡难题的必经之路。采用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量技术对横向声波激励下的预混火焰特性进行了研究,获得了横向声波激励预混燃烧火焰中的未燃区/预热区分布变化情况。实验结果表明:随着激励声波声压级的增大和激励声波频率的减小,未燃区/预热区形貌的变化逐渐增强;同时,随着激励声波相位的变化,未燃区/预热区形貌呈周期性变化。对丙酮PLIF图像进行边界提取,获取了不同声波频率、声压级条件下的未燃区抬举高度、扩散面积。利用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量成功捕捉到典型声波频率、声压级下的火焰形貌演化过程,并分析了该典型工况下的火焰熄灭现象及其机制。     

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

超声速单边扩张燃烧室分离区振荡现象及其解耦分析

为了揭示超声速燃烧中非定常现象的主导机制,通过解耦分析系统研究了单边扩张燃烧室中一种以分离区不稳定为特征的非稳态燃烧。采用控制变量的方法,对Ma=6条件(隔离段来流马赫数3.46,总温1430K)下燃烧不稳定的可能影响因素进行了解耦分析,并对典型工况在直连式实验台上开展了验证。研究表明,火焰不是本文中燃烧不稳定现象的主要影响因素,释热形成的反压才是该现象的主因。低当量比工况下反压较小,流场的非稳态机制由射流和凹腔共同主导;中高当量比工况下反压较大,非稳态机制由反压主导。射流与凹腔相互作用能形成周期性极强的非稳态过程,其压力振荡频率约为200Hz。在较高反压的驱动下,超声速燃烧室内会发生复杂的非定常现象,具体表现为激波串轴向大幅振荡,并伴有非对称分离区的间歇性切换。由反压主导的流场振荡周期性不强、频率以中低频为主(100～500Hz)。非稳态过程可能源于激波边界层干扰中的低频不稳定性,其被燃烧释热所形成的分离区放大,在下游反压的影响下形成了流场中复杂的非定常过程。