不同湍流强度下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学诊断研究

利用Hencken型平面火焰燃烧器搭建携带流反应系统，研究了不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。煤粉被一次风送入温度、氧含量（本文所称"氧含量"是指氧的摩尔分数，mole fraction）可调节的高温烟气中形成稳定的射流火焰，利用OH平面激光诱导荧光技术（OH-Planar Laser-Induced Fluorescence，OH-PLIF）观测煤粉射流火焰着火、群燃等阶段的瞬态结构，基于对火焰图像的处理探究煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。OH-PLIF的测量结果表明，在煤粉射流火焰的上游，射流外围区域的煤粉首先发生脱挥发分并着火，外围已燃的煤粉释放出大量热量并不断向射流内部传递，促进了射流内部区域煤粉颗粒群挥发分的析出。在高速一次风的卷吸及扰动作用下，析出的挥发分与氧之间不断扩散、混合，燃烧的OH锋面逐渐向射流中心区域延伸并连接成片，出现挥发分群燃火焰。实验结果表明:层流状态下，煤粉射流火焰窄而明亮；随着一次风湍流强度的增强，射流中煤粉颗粒的扩散运动变得剧烈，火焰形态发生变化，着火距离显著缩短。本文定量地研究了不同湍流强度下背景烟气温度（1200~1700 K）、烟气氧含量（10%~30%）以及一次风氧含量（5%~45%）对煤粉颗粒群着火延迟的影响规律。随着背景烟气温度、送风氧含量的升高，着火延迟时间逐渐缩短，但存在阈值现象，一旦背景烟气温度或送风氧含量超出某一阈值，其对煤粉颗粒群着火延迟的影响变弱，控制煤粉颗粒群着火行为的主导因素随之发生改变。     

基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

旋流预混燃烧室火焰描述函数分析及其自激热声计算

为考察运行参数对火焰描述函数的影响，及验证结合火焰描述函数的燃烧室热声不稳定数值预测方法可行性，测量了一燃气轮机典型旋流部分预混火焰不同运行参数下的火焰描述函数，并结合该实测火焰描述函数及热态阻尼率，采用亥姆霍兹法数值预测了燃烧室自激热声振荡参数。结果表明，该旋流部分预混火焰的火焰描述函数具有低通和带通增益峰，随激励振幅增加，增益不断降低；相位值与频率基本呈线性关系。当量比较低时，火焰描述函数主要呈现火焰拉伸效应引起的低通增益峰；随当量比增加，低通增益逐渐减弱，涡脱落效应引起的带通增益峰逐渐加强。随空气流量增加，火焰描述函数高增益频率带明显拓宽，而高增益对应的施特劳哈尔数St边界变化较小，增益峰均位于St=0.23和0.80附近。结合实测火焰描述函数、热态有火焰下阻尼率及温度分布，亥姆霍兹法数值预测的特征频率相对误差约10%，速度振幅比绝对误差在0.05以下。     

倾斜射流撞壁实验研究及液膜几何参数建模

倾斜射流撞壁在液体火箭发动机液膜冷却、射流撞壁雾化等领域具有广泛的应用。为了研究倾斜射流撞击壁面后形成的液膜的关键特征，开展单股圆柱射流撞击壁面的实验研究。从实验中研究各射流参数对液膜外形的影响规律，继而开展理论建模，获取液膜外形的关键几何参数表达式。实验研究发现随着射流倾角增大，液膜长度减小而宽度增大，随着射流孔径和射流速度增大液膜长度和宽度均增大这一定性规律。理论分析得到了液膜最大宽度位置与液膜对称面的夹角近似等于射流倾角α，液膜的长宽比近似等于1+cot α。通过进一步分析得到液膜宽度、最大宽度距撞击点的距离、液膜长度这几个液膜关键参数的表达式。建立的液膜几何参数表达式预测结果与实验结果的误差均在20%以内。     

渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却特性实验研究

提出一种新型气膜冷却孔型——渐扩后倾肩臂孔，运用压力敏感漆（PSP）实验技术，研究其与圆孔、肩臂孔的气膜冷却性能差异，并采用N₂和CO₂气体作为冷却气，对比分析了密度比1.0和1.5情况下吹风比（Br=0.5~2.0）对渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却性能的影响。结果表明:在相同密度比、吹风比条件下，渐扩后倾肩臂孔方案冷却效率优于圆孔和肩臂孔（肩臂孔略高于圆孔）。在密度比为1.0的情况下，当测量点离孔的距离与孔入口直径的比值x/D < 15时，渐扩后倾肩臂孔方案的展向平均气膜冷却效率随着吹风比的增大呈递减趋势；当x/D>15时，冷却效率在Br=1.0时最大。在密度比为1.5的情况下，渐扩后倾肩臂孔方案的展向平均气膜冷却效率随着吹风比的增大呈先增大后减小的趋势，在Br=1.0时冷却效率最大。分析认为:不同密度比情况下，吹风比对渐扩后倾肩臂孔冷却性能的影响差异，主要是由于密度比较小时，冷却气出口速度更大，使冷却气更易吹离冷却壁面。     

超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景，采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型，采用高精度WENO格式进行空间离散，并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致，来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构，并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析，揭示了流场结构特征及其时空演化规律，并获得了流场密度脉动特性。      

基于DTF和REDIM技术构建的亚网格燃烧模型及其验证

将反应扩散流形(REDIM)技术与动态火焰增厚(DTF)模型结合起来,构建了一种新的湍流预混燃烧模型。用该模型对PRECCINSTA燃烧器全局当量比分别为0.75和0.83的两种贫燃预混旋转火焰开展大涡模拟计算,将计算结果与原DTF模型计算结果以及实验结果进行对比研究,着重分析了速度、温度以及CO2质量分数的径向分布情况。研究表明:新模型的计算结果与实验结果吻合良好,由于新模型求解的组分输运方程数目减少,计算效率比原DTF模型约提高15%;理论上,新模型可推广应用于部分预混火焰的计算,只要采用合适的REDIM化学反应表格,如二维的REDIM表格。     

低速引射对高超声速飞行器气动加热影响

为研究低速引射对高超声速飞行器气动加热的影响,对高超声速来流条件下大面积平板引射进行数值模拟,讨论了引射孔结构、迎角和引射入口速度对边界层流场的影响,得到了不同引射孔结构下壁面热流,引射影响因子及流动参数随引射入口速度的变化。结果表明:低速气体引射在一定程度上能缓解引射区域壁面和下游壁面的气动加热情况。4种引射状态中引射孔结构4(即面引射)壁面热流最低,其他3种引射孔结构冷却效果基本相当。相同条件下10°迎角低速气体引射降热效果明显优于0°迎角的情况。引射入口速度v=20 m/s时,0°迎角情况下,引射区引射影响因子约为0.23,即壁面平均热流降低约23%;10°迎角情况下,引射区引射影响因子约为0.45,约为0°迎角情况的2倍。     

喷雾液滴撞击液膜影响参数及流动机理分析

液滴撞击壁面是喷雾冷却中最常见的现象。使用计算流体力学软件中的Volume of Fluid （VOF）模型对液滴撞击壁面过程进行了数值模拟研究，研究了不同参数的液滴撞击壁面液膜过程的水花形态特点，针对水花高度和直径等参数进行了分析，通过运动间断理论和无量纲参数Re和We的变化分析了不同参数对液膜的流动特征和水花形态的影响及水花产生机理。结果表明：大液滴撞击液膜时能够改善液膜的流动状态；过大的液滴速度会产生大量飞溅及表面干涸；液滴撞击薄液膜时，液膜的流动性较好，当0.6<h*<1.2时，液膜的流动性不随液膜厚度改变。