冲压发动机燃烧室超声速来流横向喷雾轨迹预测模型及动态特性分析研究

为探究超声速来流下圆柱横向射流轨迹及喷雾动态特性,在宽来流马赫数（Ma=1.50,2.02,3.09）条件下开展了不同喷嘴直径与喷注压力的煤油喷雾试验,通过纹影系统捕捉射流图像并进行外边界拟合与频谱分析。建立了考虑射流前激波效应的穿透深度预测模型,最大与平均相对误差较先前的预测模型分别下降约36%和19.1%。通过快速傅里叶变换分析,发现喷雾所受扰动以低频波为主,同时伴有时间特征较为复杂的波动。本征正交分解分析结果证明,喷雾表面同时存在高低频扰动,但低频波占据主导地位,高频波能量较低可被忽略,对应了快速傅里叶变换分析结果;低频波频率与来流有效韦伯数有关,有效韦伯数增大会使波长减小,当喷雾前端的来流速度差别较小时,频率就会增大。     

超燃冲压发动机燃烧室设计计算方法的研究

为寻找一种适当的计算超燃冲压发动机燃烧室性能的方法并评估现有模型的优劣,提出一维化学动力学模型,且通过几个算例验证了该模型的可靠性.为研究设计过程中的性能计算方法的适用性,针对一具体的燃烧室,采用目前通用的性能计算方法,即冲量分析法、一维化学动力学及二维化学动力学方法,计算得到燃烧室内各气动参数的分布曲线,并得到上述方法在超燃冲压发动机燃烧室设计过程中性能计算适用性的初步结论.计算结果表明:一维化学动力学方法与冲量分析法都能够考虑到摩擦、通道面积变化以及燃烧释热的影响因素,具有较好的适应性.对于冲量分析法,在考虑燃烧时,还需设定放热规律; 而一维化学动力学方法则可以利用化学反应模型,会自动计算释热规律,具有更大的独立性.和前两种模型相对比,二维化学动力学方法可以更细致地捕捉到流场中的一些细节,但此种模型需要较长的运算时间.对比这几个模型,各具有不同特点,在超燃冲压发动机的设计与性能计算过程中,需综合考虑上述区别,最充分地发挥各模型的优势.     

不同壁温及差分格式下超燃冲压发动机的仿真

针对圆截面超燃冲压发动机相关实验进行数值仿真,采用了不同的壁面温度条件和差分格式,并探究其对仿真结果的影响规律。结果表明采用常用的绝热壁面边界条件会导致激波边界层交互位置处的回流区变大,进而导致流道收缩,壁面压力升高。采用高精度格式不仅不能更为精确地计算回流区的大小,反而会使回流区面积变得更大。通过改变壁面边界条件,采用300 K的等温壁面,可以使激波边界层交互位置处的回流区变得极小,使仿真结果与实验结果十分吻合。计算结果表明,针对当前构型与实验条件,盲目提高数值格式的精度并不一定会得到更好的结果,相反可能会使仿真与实验更加偏离,而适当修改壁面温度条件,即使数值格式精度较低,仍然可以得到很好的仿真结果。最后,针对与实验结果吻合的仿真结果,分析了圆截面超燃冲压发动机的流场特性,重点研究了凹腔剪切层及其质量交换特性。     

煤油燃料超燃冲压发动机燃烧特性实验研究

为研究空气节流时序对超燃冲压发动机点火和火焰稳定的影响,本文通过实验方法研究了13个状态的煤油燃料超燃冲压发动机的燃烧特性,煤油燃烧通过先锋氢气和节流空气增强稳定性。通过两个固定位置的压力传感器来监测火焰稳定状态,采用纹影和OH-PLIF相结合的测量手段,获得了流场结构和火焰发展信息。发动机入口来流条件为Ma = 2.0,总温950 K,总压0.82 MPa。在空气节流的作用下,煤油被先锋火焰引燃;在先锋氢撤除后,煤油仍然可以稳定燃烧。在扩张段中,空气节流和燃烧共同作用产生的激波串移动速度约为52 m/s,但在凹槽内其速度仅为3.7 m/s。通过监测点压力变化情况可以区分所研究状态的火焰稳定与否,通过对13个研究状态的考察,获得了火焰稳定临界曲线。当所研究状态点在临界曲线右上方区域时,火焰状态稳定;当所研究状态点在临界曲线左下方区域时,火焰将被吹熄;当所研究状态点在临界曲线上时,火焰不稳定,在空气节流撤除之前将被吹熄。     

结合次流控制的壁面鼓包对激波/边界层干扰的控制方法研究

为了对超声速、高超声速进气道内激波/边界层干扰现象进行有效控制,提出了一种结合次流控制的壁面鼓包控制激波/边界层干扰的方法,并对相关流动机理及参数影响规律进行了研究。结果表明:将次流控制与壁面鼓包相结合,利用鼓包前后存在的压差,将激波入射导致的分离区内的低能流引入鼓包下方的引流腔,在减少分离包内低能流的同时,促进分离包的再附着,有效地缩小了激波入射导致的边界层分离,改善了通道内的流动状态,降低了流动损失。同时,将引流腔中的气流从鼓包下游的吹气缝中喷出,对当地边界层起到了一定的能量补充效果,并避免了捕获流量的损失。相较于现有的壁面鼓包控制方案,结合次流控制后可以在较大激波入射范围内实现对激波/边界层干扰的控制,通道出口的总压恢复系数的最大改善幅度可以达到5%以上。此外,将引气缝布置在鼓包迎风面,并且当单条引气缝的宽度和间距固定不变,而引气缝总宽度和单条引气缝宽度之比不大于3时,可以获得较好的控制效果。     

三维超声速压力反问题的特征线求解技术

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,基于双特征线理论及Butler解法,研究了三维超声速流线压力反问题的适定性。为了确保解的唯一性,提出在限定壁面膨胀/压缩方向时存在壁面压力与三维坐标的一一映射关系。基于该映射关系,提出了三维压力反问题的双特征线求解技术(iMOC-3D求解器)。采用Prandtl-Meyer膨胀波、Busemann进气道的理论解,对iMOC-3D求解方法的膨胀、压缩过程进行了精度评估,误差均为1×10~(-4)量级。为了进一步验证设计方法的可靠性和易控性,设计了进口为矩形和三角形的超声速喷管;通过设计壁面压力分布,完成了均匀膨胀的轴对称喷管设计,并将设计结果与数值模拟进行对比验证。研究表明:预设三维流线下游未知点的压力值,存在多个流动方向满足该压力条件,即该问题的解不唯一,因此三维超声速流线压力反问题是非适定的。对比验证表明:所设计的流场与CFD计算得到的等值线符合得较好,流场参数的最大误差为1%。因此,所提出的双特征线解法具有一定的可靠性,有望为三维超声速流道设计提供新思路。     

1 种副孔正交型超声速5 孔探针的设计与应用

针对超声速喷管出口流场Ma和方向角的测量,设计了直径为4 mm的副孔正交型超声速5孔探针。圆锥形测压头半角为20°,测压孔直径为0.4 mm,探针直段长140 mm。分别在亚声速风洞(196个校准点)和超声速风洞(294个校准点)中对5孔探针进行了校准,结果表明:5孔探针在不同Ma下的方向特性曲线具有几何相似性,有较高的角度灵敏度;总压特性系数和静压特性系数均具有良好的对称性。并通过数值计算研究了5孔探针的扰流特性。结合自动位移机构,完成了超声速喷管出口5个截面共315个坐标点的标定,获得了流场的Ma和方向角分布特性。     

喷管间距对双喷流啸音影响的实验

实验详细测量了完全膨胀马赫数范围为110~160、喷管间距为16到32倍喷管出口直径的超声速双喷流近声场,分析了两个喷流各自发出的啸音在近声场的相位关系,研究了喷管间距对双喷流耦合的影响。结果表明:对比单喷流,双喷流耦合啸音在A模态时,呈现出反对称或对称模式,在反对称模式下,喷管中间区域啸音强度减小,对称模式下,双喷流中间区域啸音强度略大于单喷流啸音;B模态时,两个处于摆动模态的喷流啸音在喷管中间区域同相而发生耦合,极大地增强了B模态的幅值,达到160dB;C模态的相位关系还需进一步研究。对比不同喷管间距下的双喷流近声场,发现喷管间距过小或过大均不利于B模态的耦合;喷管间距对C模态影响最大,当喷管间距变大时,C模态幅值及主导马赫数范围均增大。      

超声速气流中凹腔对液体射流穿透深度的影响

采用高速摄影对凹腔上游液体垂直射入超声速气流中的穿透深度展开了试验研究。进行了不同喷注位置和液气动量通量比条件下,平板射流和带凹腔射流的试验,研究了凹腔对射流穿透深度的影响。试验发现,射流穿透深度在凹腔前缘降低,射流边界曲线向凹腔内弯曲;射流穿透深度在凹腔后缘增大。凹腔对射流液雾的卷吸作用使穿透深度降低,剪切层撞击凹腔后缘形成的高压波传递使得穿透深度在后缘增大。减小液气动量通量比是增大凹腔对射流卷吸作用的途径之一。喷注在凹腔上游3倍凹腔深度的距离上,凹腔对穿透深度降低最大。      

间隙高度对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,对不同间隙高度超声速膨胀器的流场和性能进行了数值研究,结果表明:间隙高度显著影响三维流道内的局部流动特性和超声速膨胀器的整体性能,随间隙高度增加,气流最高相对马赫数降低,高速区范围逐步缩小;泄漏涡增强,尺度变大,横向和径向运动明显,泄漏损失增加,但激波及激波附面层相互作用的损失降低;超声速膨胀器的膨胀比先增大后减小,等熵绝热效率持续降低.下端壁、吸力面附近低能流体之间以及与壁面的摩擦损失和间隙泄漏损失是有间隙超声速膨胀器三维流道内损失的主要来源,超声速膨胀器的间隙高度宜在0.9%h₀~1.5%h₀之间选取.