基于火焰面模型的超声速湍流燃烧数值模拟研究

在非结构混合网格有限体积框架下,将RANS方程和层流火焰面模型相结合,开展超声速湍流燃烧流动数值模拟研究,时间和空间离散分别采用LU-SGS格式和HLLC格式。用SST k-ω模型模拟湍流,FlameMaster 3.9生成火焰面数据库,并采用β-PDF和δ-PDF分布来考察湍流和化学反应的相互作用。采用该数值方法,对DLR氢燃料超燃燃烧室和北航乙烯燃料气动斜坡超燃燃烧室开展了数值模拟研究,并将数值计算结果与实验数据进行对比,二者符合较好。研究结果表明:在主流中心支板顺流喷射超燃燃烧室内,燃烧主要发生在支板后的燃料/空气混合层内,并且火焰核心落在恰当混合物分数Zst附近区域。      

煤油总包反应机理对超声速燃烧的影响

为考察不同总包反应机理对超声速燃烧数值模拟的影响,以煤油燃料超燃冲压发动机支板加凹腔燃烧室为研究对象,分别采用单步和两步总包反应机理对其燃烧过程进行了三维数值模拟研究.对比分析表明,采用的单步反应机理计算结果与实验值呈现明显差异;而两步反应机理的壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,验证了计算过程的有效性.该单步反应机理在前支板处局部反应释热量过大过快,致使超燃室内出现热壅塞现象;而两步反应机理的反应和释热规律更为合理,更逼近真实燃烧过程.     

湍流燃烧的动态自适应直接数值模拟

为了能以较低的计算成本分辨多尺度的湍流燃烧过程,发展了基于动态自适应网格技术的湍流燃烧直接数值模拟方法。在氢气/空气层流预混火焰传播的模拟中,准确计算出了火焰传播速度,表明该方法具有直接求解火焰以及精确捕捉火焰传播过程的能力。在衰减的各向同性均匀湍流的模拟中,借助FFT分析获得了合理的湍动能谱线随湍动能衰减的变化规律,表明该方法能够直接求解湍流。由于在实际应用中,点火发生的位置与低温机理的速率相关,因此在氢气/空气湍流预混火焰中研究了湍流对低温机理的影响,发现湍流输运以及湍流涡团间强烈的拉伸和剪切对低温机理有明显的加速作用,能显著增强放热。     

Two-phase flow effect on hybrid rocket combustion

This study numerically explores the aerodynamic and combustion processes in a hybrid rocket combustor, under a two-phase turbulent flow environment, considering the evaporation, combustion and drag of droplet and droplet ignition criterion. The predictions of temperature, reaction mode, reactant mass fraction, velocity, oxidizer consumption, fuel regression and droplet number distribution enhance understanding of the two-phase combustion aerodynamics inside the combustor. A parametric study of the inlet spray pattern, including spray cone angle, spray injection velocity and droplet size, is performed to improve the operation of reactant mixing and higher fuel regression rate. Analytical results indicate that both the oxidizer consumption and the fuel regression increase with increasing spray cone angle and spray injection velocity in the practical range of operation. However, for stoichiometric operation, the superior spray cone angle is within 20–60°, and spray injection velocity within 20–40 m/s, under a volume-mean droplet radius of 50 μm. The power dependence of solid-fuel regression on total mass flux is found to decrease with rising of droplet mean size.     

基于核主元分析方法的燃气涡轮发动机燃烧系统实时监测与诊断

针对燃气涡轮发动机燃烧室状态监测方法不足,故障定位难和故障早期发现难的问题,以涡轮排气温度场周向数据为分析依据,通过研究燃气在涡轮通流部分的偏转规律,利用核主元分析(KPCA)方法对经过有效性处理后的温度场数据进行分析,并结合两台发动机的故障数据,分别对燃烧系统自身故障和热电偶传感器故障进行检测与识别,验证了排气温度场燃气偏转规律与核主元分析相结合的方法对燃烧系统故障和传感器故障进行诊断的有效性.结果表明:该方法能够将安装了环管式分布火焰筒的燃气涡轮发动机燃烧室的故障诊断定位层次从目前的燃烧室这个大部件提高到火焰筒级别的小部件.      

有声腔燃烧室的声学特性实验

为了掌握声腔对燃烧室声学特性的影响规律,采用冷态实验方法,研究了带有轴向直圆孔声腔的模拟燃烧室的声学特性,其中声腔长度、开口面积比（声腔横截面积除以燃烧室横截面积）和个数均可调节.研究结果表明:燃烧室固有频率随声腔长度的增加而逐渐减小;声腔存在最佳深度,能够抑制一阶切向振型,该最佳深度不受声腔开口面积比影响,略小于1/4一阶切向波长;对抑制一阶切向振型而言,声腔存在最佳开口面积比,在本研究中约为0.17;声腔的分布对燃烧室的声学特性影响较大,相同开口面积比下,声腔个数越多,声波衰减越快.      

采用火焰面/反应进度变量方法模拟湍流燃烧

在自主开发的软件平台上添加了火焰面/反应进度变量方法,选取了两种反应进度变量分别对甲烷/空气的同轴射流燃烧室进行了数值模拟.将计算结果与稳态火焰面模型、文献参考值以及实验值进行了对比研究,结果表明:采用火焰面/反应进度变量方法能捕捉到稳态火焰面模型所不能预测到的火焰抬举等非稳态现象,得到的结果与文献参考值以及实验值出入很小,能准确反应真实的燃烧过程;另外不同反应进度变量的定义对计算结果有较大的影响,采用火焰面/反应进度变量方法对主要中间产物一氧化碳的预测比文献参考值更好,更接近于实验值.      

基于不同PDF的超声速扩散燃烧火焰面模型对比

为了研究混合分数概率密度函数对湍流扩散燃烧的影响,采用稳态火焰面模型描述超声速扩散燃烧过程,分别采用β-PDF和δ-PDF方法对层流火焰面数据库积分得到两种湍流火焰面数据库,并对比分析了湍流火焰面数据库。结合混合RANS/LES程序,利用DLR氢燃料超燃燃烧室算例进一步对比验证采用不同PDF方法生成的湍流火焰面数据库。研究结果表明,混合分数β分布数据库中间组分随混合分数方差变化大,采用混合分数β分布的算例计算结果脉动速度较大,与实验结果符合得更好。     

异步点火相位对四冲程发动机性能影响

为研究双火花塞点火相位差对安装有预燃室的四冲程点燃式航空重油活塞发动机的整机性能的影响规律,利用AVL-Fire软件建立了发动机燃烧室的CFD模型,并验证了模型的有效性;研究异步点火相位增加对整机缸内燃烧、火焰传播和缸内爆震的影响等。结果表明:在转速为5 000 r/min,30%节气门开度、喷油量为20 mg的条件下,主燃室中火花塞点火固定在上止点前20°曲轴转角,另一个火花塞相对其分别提前4°、 8°、 12°点火。随着异步点火相位的增大,缸内平均压力、放热率及累计放热量呈现逐渐增加趋势,但爆震发生的角度逐渐向上止点移动,强度有所增加。     

燃气热力参数计算方法及在涡轮叶栅对流换热中的应用

为了研究燃气热力参数对对流换热的影响,发展了一种计算航空发动机碳氢燃料与空气燃烧的燃气热力参数计算方法。应用该方法给出的一部分燃气热力参数作为输入条件,对不同入口温度下的平板和涡轮平面叶栅的对流换热进行了数值模拟,并与空气作为工质的对流换热数值模拟结果进行了对比。结果表明:在其他定解条件相同时,对平板和涡轮平面叶栅的对流换热,工质为多组分燃气时的壁面当地努塞尔数均大于入口工质为空气的努塞尔数,且随着入口温度的升高,空气与燃气的当地努塞尔数的差别变大;在给定的入口温度范围内,与工质为空气相比,工质为燃气的平板当地努塞尔数从28%增大到30%,涡轮叶栅则从725%增大到969%。