超燃冲压发动机燃烧模态转换直连式实验研究

为获得燃烧模态转换过程对超燃冲压发动机工作特性的影响,在直连式实验台上,通过液态煤油流量的线性变化,开展了飞行马赫数4.5条件下燃烧室不同工作模态的转换实验。通过对特征位置和参数的监测,实现了燃烧模态的实时判别,获得了燃烧模态转换过程对发动机性能的影响规律。实验结果表明,在燃烧模态转换过程中滞环现象明显,燃烧室压力和发动机推力性能存在突变。在燃油流量以相同的速率增加和减小过程中发生模态转换时刻的燃油当量比存在差异,分别为0.55和0.488,两个转换点燃烧室比推相差8.05%。在滞环区间内,对于同一当量比,会存在两个不同燃烧模态,对应不同的发动机推力性能。     

当量比对燃烧模态的影响机理分析

为了深入分析当量比对燃烧模态的影响机理,通过试验和计算研究了不同当量比条件下超燃冲压发动机燃烧室流场,给出了释热速率的计算方法。结果表明,数值模拟结果具有一定的可靠性,并基于数值模拟结果,提出了模态形成过程中释热和流动速度的反馈平衡机理。给出了三种燃烧模态及其特征,超燃模态,燃烧释热为分布式,燃烧室流动速度为超声速,隔离段无分离;亚燃模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动为亚声速,隔离段存在大分离以及强激波串;混合模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动同时存在亚声速和超声速,隔离段存在大分离以及强激波串。提出了高当量比条件下实现超声速燃烧的方法,即在扩张段注油,避免集中式释热。     

超燃发动机燃烧模态判别准则初步研究

为建立超燃发动机燃烧模态定量判别准则,针对马赫数3.0,总温1500K,总压2.1MPa的来流,完成了燃烧模态的实验和数值模拟研究。对比分析了不同当量比条件下燃烧室马赫数分布和隔离段激波结构,确定了燃烧模态判别采用的两个压力测点特征位置,研究了燃油增加过程中特征位置壁面压强比值的动态特性。结果表明,随着当量比的增加,燃烧模态由超燃模态转变为亚燃模态,当量比0.6是超燃模态过渡到亚燃模态的转换点。特征位置压比变化率最大时刻的比值1.5可以作为定量判别燃烧模态的依据,当特征位置壁面压强比值小于1.5时为超燃模态,大于1.5时为亚燃模态。     

煤油燃料超燃发动机燃烧室温度测量与计算分析

为获得超燃冲压发动机燃烧室流场温度分布特性，深入分析发动机工作特性，对马赫数为2.0，总温为1100K，总压为1.0MPa的来流，利用可调谐的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术完成了直连式燃烧室流场温度测量；同时对实验状态进行了三维并行数值模拟，对比分析了计算和实验结果的差异。结果表明，隔离段温度的实验测量值与计算结果的最大相对误差约为0.8%；在燃烧室核心流区域，当量比为0.6和0.8两个状态下，实验测量值分别比计算值偏低约40K和150K，相对差异为4.2%和13%；在凹槽回流区内，当量比为0.6和0.8时实验值则分别比计算值偏低约140K和170K，相对差异为11.7%和7.5%。主喷油位置喷入当量比为0.2的燃料对燃烧室区域的温度和压力分布会产生较大影响，但对扩张段及后部区域的推力性能不会产生显著的改变。      

受限空间二维超声速混合层混合增强数值研究

本文研究了具有双燃烧室冲压发动机超声速燃烧室工程背景的受限空间超声速混合层的混合增强措施——低速流入口加入沿流向振荡。研究结果表明：它对二维混合层的混合增强效果明显,加振荡后流场燃烧强度加大,但仍属于较弱燃烧强度;振荡频率决定着涡量聚集区域的位置和大小,振幅决定着涡量分配和聚集的均匀程度。     

双燃烧室冲压发动机超声速混合层混合增强数值研究

研究了具有双燃烧室冲压发动机超声速燃烧室工程背景的特定超声速混合层的混合增强措施——低速流入口加入沿流向振荡.研究结果表明:它对二维混合层的混合增强效果明显,加振荡后流场燃烧强度加大,但仍属于较弱燃烧强度;振荡频率决定着涡量聚集区域的位置和大小,振幅决定着涡量分配和聚集的均匀程度.      

新型空气/酒精火炬点火器设计及试验

为满足燃烧装置对点火系统低时序控制精度和运行参数宽范围可调的需求，设计了一种能够在宽油气比范围内工作，且对燃料和氧化剂注入时序要求较低的空气/酒精火炬点火器。该火炬点火器利用气泡雾化喷嘴组织燃料雾化，采用电嘴进行点火，开展了不同气液质量比和当量比下火炬点火器的热态调试，并将其作为点火装置应用于燃烧加热器开展点火试验。结果表明：火炬点火器在空气注入稳定后即可注入燃料点火起动，对燃料和氧化剂注入时序要求较低；在气液质量比5.73%~19.56%和当量比0.51~2.48内，火炬点火器均能实现快速点火和稳定燃烧，具备点火参数在较宽范围内调节的能力；将火炬点火器应用于燃烧加热器，可迅速点燃主气流，在燃烧加热装置上有良好应用前景。     

新型液氧/空气/异丁烷燃烧加热器研制及流场校测

为了发展高流场品质、安全可靠运行的高超声速高温风洞技术,研制了一种新型的液氧/空气/异丁烷燃烧加热器。该加热器采用"气液燃烧"模式组织燃烧,考虑了均匀流场设计,并利用空气-异丁烷火炬点火器实现点火。50kg/s量级燃烧加热器点火调试表明,主气流能实现快速点火,在火炬关闭后,继续维持稳定燃烧。利用Φ1m喷管,针对马赫数6,总压6.0MPa及5.2MPa开展流场校测,结果表明燃烧加热器在喷管出口直径80%的中心区域提供均匀气流,在流场均匀区内,马赫数均方根偏差在0.05以内,总温均方根偏差在20K以内,能支撑高超声速气动及推进试验。     

敞口式离心喷嘴液膜动态填充及打开过程研究

为了揭示敞口式离心喷嘴液膜填充及打开过程,采用两相界面追踪方法 VOF(volume of fluid)模拟了喷嘴内部及近喷口区域流动过程,计算得到的喷雾角和试验结果偏差不超过2%。计算结果表明:喷嘴内部填充过程中,自切向孔下游至喷嘴出口液膜厚度缓慢增加,在喷嘴出口处液膜厚度大幅度降低,呈非线性发展;相应地,切向孔截面空心涡经历了正方形-花瓣形-圆形的演化历程;喷口边缘处表面张力占主导,此时液膜较厚,因此液膜刚流出喷嘴时并没有立刻打开,而后变薄、失稳、脱落、破碎并部分聚合,随着时间推移,喷嘴出口液膜形态依次经历了铅笔形、洋葱形、郁金香形和完全发展形四种形态,与稳态下喷注压降改变时喷雾形态变化相一致。     

敞口式离心喷嘴内部及近喷口区域的流动特性

为了深入理解敞口式离心喷嘴雾化机制,基于界面追踪法VOF（volume of fluid）和RNG（renormalization group）湍流模型对敞口式离心喷嘴进行数值模拟,计算结果与PDPA（phase Doppler particle analyzer）及单反相机测得的喷嘴出口速度和雾化锥角一致性较高.清晰地捕获了中心空气涡结构及喷嘴内部的回流区,展现了切向孔与旋流室的交互影响,并着重分析了液膜厚度演变特性及喷嘴内外速度场发展规律.随着喷注压降的增加,破碎长度降低,打开长度及喷雾角增加.揭示了敞口式离心喷嘴独特的流动机制,为喷嘴雾化性能预测及结构优化提供依据.