推进动力系统燃烧不稳定性产生的机理、预测及控制方法

在不稳定热释放和声波相互耦合作用下而产生的燃烧不稳定现象,表现为振荡燃烧的形式,常发生于火箭发动机、航空发动机加力燃烧室以及地面燃气轮机等装置当中,会对结构引起很严重的破坏。本文总结了当前关于燃烧不稳定问题的机理以及控制方法的研究进展。目前来看,关于燃烧不稳定的机理研究方面,包含实验研究以及数值方法研究。实验方面,有rijketube热声不稳定实验,还有模拟真实燃烧室环境的燃烧实验。数值方面的工作,包括线化的热声不稳定模型,以及对火焰进行描述的解析模型和大涡模拟等方面的工作。同时,人们尝试了各种抑制不稳定的方法。控制方法包含两大类,即:主动控制方法以及被动控制方法。主动控制方法在理论研究方面取得了重大成果,然而,由于其实现上需要复杂响应系统、执行机构,因此,距离实际工程应用还很遥远。而被动控制方法,例如,亥姆赫兹共振腔,以及穿孔板等装置,在工程上得到了很好的应用。     

Experimental investigation of cavitation instabilities in inducer with different tip clearances

To investigate the effect of tip clearance size on cavitation characteristics in a turbopump inducer, a series of experiments have been conducted in a newly developed visualization test facility using room temperature water as working fluid. The pressure fluctuations near the tip region were collected, and the cavity structures under various conditions were documented by a high-speed camera. It is found that large tip clearance distinctly reduces both the non-cavitation and cavitation performance. Three cavitation instabilities, super-synchronous rotating cavitation, synchronous rotating cavitation and cavitation surge have been carefully identified through combination of cross-correlation analysis of pressure signals and visualization results. Large tip clearance displays a remarkable stabilization effect on pressure fluctuation, cavitation surge totally disappears, and the range of occurrence of synchronous rotating cavitation becomes smaller for the large tip clearance, whereas super-synchronous rotating cavitation only occurs in the large tip clearance. The cavitation areas are smaller at large tip clearance, while the flow channels are more seriously choked when cavitation occurs heavily in comparison with those at small tip clearance, which may be responsible for the worse cavitation performance.     

液氧煤油补燃发动机起动过程氧预压泵加速起旋方案研究

为降低液氧煤油补燃发动机起动所需入口压力,需解决起动过程氧预压泵起旋迟缓产生附加阻力导致主泵入口压力过低而发生断裂汽蚀的问题。开展了两种预压泵加速起旋方案研究,分别为已工程应用的液氧涡轮方案和本文提出的氦起动涡轮方案。对比介绍了两种方案对发动机气液系统和预压泵结构的影响。建立了预压泵加速起旋相关的数学模型,针对加速起旋机理、效果和影响因素等进行了仿真分析。结果表明:液氧涡轮方案,预压泵结构变化较小,为提升加速起旋效果,涡轮供应路应尽量增大通径、缩短长度,降低动态流阻和静态流阻,涡轮喷嘴流通面积则需根据其对涡轮流量和压降的综合影响来选择。氦起动涡轮方案,预压泵结构和流路变化较大,起动涡轮速比和效率是降低氦气用量的限制性因素。     

贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性的实验

实验研究了常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性.结果表明:不稳定燃烧时,火焰结构发生显著变化,呈现大尺度运动的特点.燃烧室所发生的燃烧不稳定性是纵向自激式振荡,是燃烧室与预混段之间的耦合,振荡频率由整个系统决定.随着当量比的提高,燃烧经历了由稳定到不稳定,并达到有限循环脉动的过程.流动脉动和火焰的相互作用,是激发和维持振荡的主要原因,需要深入研究不稳定燃烧性产生和得以维持的机理.      

等离子体片边界层中静电不稳定性产生的波-粒动量交换率

本文介绍了非均匀等离子体片外边缘离子束流-密度梯度漂移不稳定性的二级理论。二级动量交换率的计算表明, 模型等离子体中冷、暖束流离子的场向动量以及暖束流离子的横向动量可以被静电波来减小。这些波是由离子束流-密度梯度漂移不稳定性产生的。这些结果对于理解等离子体片外边缘等离子体的各向同性化和热化是很有用的。      

基于熵产理论的水翼空化特性研究

为了对空化流场中的能量损失做出定向、定量的评价,引入熵产理论对绕二维水翼流场进行了分析。以NACA0009翼型为计算模型,选用k-ω湍流模型以及ZGB空化模型对翼型的外特性进行了数值仿真并与实验结果进行了对比,发现计算结果与实验结果符合较好。仿真结果表明,熵产与翼型外特性之间有明显的相关性,在升力系数和阻力系数发生突变的时候,熵产和能量损失也发生剧烈变化;在流场中湍流耗散熵产始终占80%以上,大空化数下壁面熵产占比在10%左右,不可以忽略;能量损失总是集中分布在空穴的末端和翼型的尾端;空化数在0.6～0.4时,空穴会发生大尺度周期性脱落,造成流场的损失增大,但是当空化数0.4时,空穴变得比较稳定,使得流场比较稳定,损失减小。分析表明,熵产理论可以应用于空化流场分析中。     

空化对燃油喷嘴雾化的影响

燃油喷嘴内的液体流动在一定条件下会形成空化,进而影响喷嘴的雾化效果。应用高速摄像仪对圆形喷嘴内的空化以及喷口外的雾化进行了实验研究。实验所用喷嘴直径包括0.5mm,1.0mm,1.5mm和2.0mm,其中直径为1.5mm的喷嘴的长径比从2变化到9,实验工质为纯净水。实验发现,喷嘴内空化的形成是动态的,空化长度出现高频低幅脉动。对于喷嘴的收缩类型研究发现,急收型相比渐收型更易形成空化,并有增强雾化的效果。长径比相同的喷嘴,直径越大,达到超空化的喷射压力越大,雾化锥角也越大;直径相同的喷嘴,随长径比的增加,达到超空化的空化数逐渐减小,但射流的喷雾锥角没有明显的变化趋势,均在10°到20°之间。对比破碎模式规律,除了0.5mm的喷嘴外,所有喷嘴达到超空化后均为雾化模式。     

自激振荡预混燃烧的实验

通过动态压力测量、化学自发荧光相同步测量的方法对自激振荡燃烧动力学过程进行了实验研究,分析了不同空气流量、化学当量比和边界条件对振荡燃烧过程的影响.实验结果显示,燃烧热负荷的提高会导致燃烧段压力脉动幅值的提高,使燃烧更加不稳定.化学当量比越接近熄火极限,压力脉动的频率越高.同时燃烧室进出口边界条件的改变也会对振荡频率产生影响.     

空化对航行器垂向入水特性影响机理研究

航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。     

A statistical analysis of low frequency geomagnetic field pulsations at two Antarctic geomagnetic observatories in the polar cap region

The aim of this study is to investigate the characteristics of low frequency (∼0.5–5 mHz) geomagnetic field fluctuations as recorded at two Antarctic stations within the polar cap: the Italian observatory Mario Zucchelli Station (TNB) and the French–Italian observatory Dome C (DMC) in order to investigate the spatial extension and propagation characteristics of the phenomena observed at very high latitude. The stations have approximately the same geographic latitude, but a very different corrected geomagnetic latitude, being DMC close to the geomagnetic pole and TNB closer to the auroral oval.