航空发动机新型补燃增推燃烧室的现状与发展

涡轮后框架一体化加力燃烧室（简称涡轮后框架燃烧室）和涡轮间燃烧室均是为了提高推进效率和降低耗油率而新近开发和验证的2种先进补燃增推燃烧室。综述了2种燃烧室的基本结构、研制背景、发展历程和目前研究进展,总结了从众多研究中获得的这2种燃烧室相对常规结构的性能特点,如涡轮后框架燃烧室结构紧凑,流体损失小,结构耐久性好;涡轮间燃烧室推进效率高,热效率高。还指示了这2种燃烧室的发展趋势。     

离心式喷嘴内部流动过程数值仿真分析

基于Coupled Level Set+VOF两相流计算方法,分别模拟了敞口型与收口型离心式喷嘴内部流动过程,可视化展示了喷嘴内部填充过程,分析了喷嘴内部的流动特性及其详细流场结构.捕捉到液膜表面波动和液膜表面内侧空气中的涡.结果表明:液膜表面波波谷内侧的空气中有涡存在,涡心连线处在轴向速度零速线上;喷嘴出口截面的轴向速度和切向速度具有明显的分区流动特征.液膜表面波的波谷-波峰和气体中的涡存在挤压与被挤压的相互作用,它们之间通过相界面变形传递这种气液间相互作用.另外,将外喷雾场的计算结果与实验结果对比,两者吻合较好,间接验证了内流场计算结果的准确性.     

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

级间燃烧室在航空发动机上应用分析

采用F100-PW229的参数,对发动机增设级间燃烧室后进行了非理想循环分析,比较了不同马赫数下级间燃烧室与加力燃烧室的性能差异,分析了部件效率对带级间燃烧室发动机性能的影响,对比了主燃烧室、级间燃烧室、加力燃烧室的燃烧效率;计算结果与理想循环存在差异:亚声速下,级间燃烧室发动机推力的增加需要相近增量的耗油率,超声速下同等耗油率可增加约10%推力;其经济性、机动性介于常规发动机和带加力燃烧室发动机之间;最后对增设级间燃烧室的发动机进行了参数优化.      

Numerical simulation of flow in swirl injector for power-law fluid

In order to investigate the flow characteristics of swirl injectors for gelled propellants, which actually behaved as non-Newtonian power-law fluid, a swirl axisymmetric model was established to solve Navier-Stokes equations and VOF (volume of fluid) equation, and the power-law constitutive equation was used to describe the rheology characteristics of the gelled propellants. The film thickness and velocity distribution in the swirl injector under different flow conditions were studied numerically. The simulation results show that the increased geometry characteristic parameter of the swirl injector contributes to the decrease of liquid film thickness. The liquid film thickness is almost independent of the pressure drop. The rheologic parameters have great influences on the inner flow of swirl injector: by increasing the fluid consistency index K and power index n, both the axial and the swirl velocities decrease dramatically; higher fluid consistency index K and power index n make the liquid film thickness increase. When the viscosity is large enough, the air core in the injector would vanish.      

涡旋微槽内的单相强迫对流换热性能实验

以体积浓度30%的乙二醇水溶液为工质,采用定热流加热方式,对槽宽0.3mm的4个深度不同的矩形截面涡旋微槽试件的换热性能进行了实验研究.试件所用材料为紫铜,每个试件上分布6个涡旋微槽.实验测量了不同工质流量,不同加热功率下涡旋微槽的换热性能,分析了微槽结构、工质流速对其换热性能的影响,拟合得到相应的换热实验关联式.与平直微槽的换热性能进行了对比,结果表明涡旋微槽散热器的换热性能优于平直微槽散热器.     

套筒长度对火焰筒流场和雾化特性的影响

利用激光粒子动态分析仪实验研究了套筒长度对火焰筒头部的流场和喷雾场的影响.结果表明:套筒长度控制流场的发展,影响顺流区壁面再附点的位置,随着套筒长度的增加,再附点向下游移动.套筒的长度存在一个临界值,使中心回流区的尺寸最大.套筒对雾化的影响较大,在回流区内,套筒长度最小时雾化效果较好.在顺流区内,液雾的索太尔平均直径随着套筒长度的增加而逐渐减小.套筒加长时喷雾锥角有所减小.套筒的最佳长度选择需要综合考虑燃烧室的具体设计要求.      

弱旋流燃烧器燃料/空气预混均匀性研究

实施贫预混燃烧技术的关键是保证燃料与氧化剂的均匀混合,避免在燃烧时形成局部高温点而导致NOx排放增加。本文针对弱旋流燃烧器设计了甲烷/空气预混方案,首先通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性,然后对当量比为0.7的预混气体进行数值模拟,分析了燃料喷射孔和弱旋流流场特性对掺混的影响机制。结果表明：喷射孔径影响燃料的初始分布,很大程度上决定了在有限空间内可以达到的最终混合效果,对给出的预混结构,存在最佳当量孔径b=0.01及对应的平均动量通量比 J =75.59,使混合效果最优。弱旋流流场由中心直流通量和外环旋流通量共同作用,其中旋流对燃料扩散起主导作用。在保证弱旋流特性的前提下,通过增大孔板阻塞比或旋流叶片几何角的方式能够强化旋流作用,从而提高预混均匀性。     

折叠V形火焰稳定器原型的冷态与稳燃特性研究

为了获得折叠V形钝体这一新型火焰稳定器原型的冷、热态特性,采用风洞实验与混合雷诺平均/大涡模拟结合的方法对10组不同折叠角的折叠V形钝体火焰稳定器模型进行了冷态实验与热态数值模拟研究。其中冷态实验风速10~50m/s,来流雷诺数10000～80000,热态数值模拟工况为进气温度700K、来流速度50~150m/s,来流雷诺数20000～60000,当量比0.2~1。通过实验测得了不同折叠角折叠V形钝体总压恢复系数,通过数值模拟进一步获得了阻力系数、吹熄性能与燃烧效率,并获得了折叠V形钝体下游火焰时均轮廓。研究表明,折叠V形钝体总压恢复系数与阻力系数优于标准钝体,总压恢复系数随钝体折叠角减小而增大,阻力系数随折叠角减小而减小;折叠V形钝体抗吹熄能力与燃烧效率均优于标准V形钝体;折叠V形钝体的下游火焰扩散特性与标准V形钝体有显著差异。上述特性揭示了折叠V形钝体具备改善加力燃烧室性能的较大潜力,在实际应用中,还需对稳定器的空间排布做进一步研究与优化。     

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。