PR状态方程在超临界喷射模型中的应用

针对超临界流体物性的特殊性,对超临界喷射数值模拟方法进行研究。基于PR状态方程建立了考虑超临界流体特点的超临界喷射数值模型,并采用该模型对超临界C10H22喷射到超临界N2环境中的喷射进行了数值模拟。对比研究了采用PR状态方程的真实气体模型和理想气体模型得出的密度、温度、质量分数分布以及超临界喷射长度和喷射扩张角的变化规律和差异性,并与试验数据进行了对比。结果表明:2种模型在物性预测上的差异会造成以上喷射特性模拟结果的巨大差异,理想气体模型模拟结果与试验数据误差很大,利用真实气体模型能够得到与试验数据较为吻合的结果。基于PR状态方程的超临界喷射数值模型准确可靠,可为碳氢燃料的超临界喷射现象提供参考。     

反应机理对燃烧室出口温度分布仿真结果的影响

为考察不同反应机理对航空发动机燃烧室出口温度分布数值模拟的影响,基于小火焰模型,采用6种不同的航空煤油化学反应机理,对航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流场进行了数值模拟。比较了各机理所预测的出口温度场和燃烧效率结果的异同,并结合试验数据进行分析,考察了各机理模拟燃烧室出口温度分布及效率的准确性。结果表明:23步反应机理和30步反应机理预测的出口温度分布及燃烧效率有较高的可信度,单步、2步、11步反应机理预测结果则与试验结果相差较大;H-O反应在反应机理中的作用非常关键,只考虑NO而不考虑其他NOx生成对模拟结果影响很小。     

超临界喷射受环境和喷射参数影响的数值研究

基于PR(Peng-Robinson)状态方程,采用二维轴对称的两相流控制方程和相关文献中的混合规则,建立了超临界燃油喷射的数值模型并采用预处理方法进行求解.以正癸烷为替代燃料研究了超临界燃油喷射到静止超临界氮气环境中时射流长度和射流扩张角的变化规律.结果表明:超临界射流长度和射流扩张角随环境压力的升高而减小,随环境温度和喷射温度的升高而增加,且超临界射流长度受环境和喷射参数影响的敏感性稍高于射流扩张角.分析认为影响超临界喷射的两个主要因素是喷射密度比和喷射动量,且后者占主导地位.     

流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟

 目前航空发动机燃烧室雾化系统设计主要是针对亚临界喷射的,但高性能要求使得未来飞行器发动机的燃料喷射系统会以跨临界/超临界喷射为主。基于此,对液态碳氢燃料的超临界喷射特性进行了研究。首先选取了适合超临界流体物性参数特点的计算和求解方法,建立了超临界喷射特性计算的数学模型;然后采用该模型对JetA燃料喷射到N₂环境中的喷射过程进行了数值计算研究,并通过与已有的实验结果进行对比验证了模型的正确性;最后对流动参数对于超临界喷射特性的影响进行了数值模拟,得到了喷射长度和喷射扩张角与流动参数之间的关系。     

RP-3航空煤油的亚/超临界密度实测和计算方法研究

为了逐步改善高性能空天动力装置研究中液态碳氢燃料物性数据缺乏的现状,设计了一种气动活塞式的密度测量装置,对压力和温度范围分别为1.2~4.0MPa和293~673K的常用液态碳氢燃料——RP-3航空煤油的密度进行了实验测量,并分析了其密度随温度和压力的变化规律。此外,基于PR状态方程进行了真实流体的密度计算,并结合已有的正癸烷(C10H22)密度实验数据对计算过程进行了修正。通过将采用修正后的方法计算出的RP-3航空煤油的密度值与实验测量值进行对比,发现计算值比实验值稍低,尤其在低温阶段和临界点附近。分析认为,这主要是由于此计算方法用于混合物计算时的局限性造成的。     

低压环境下过热流体喷雾特性实验

为了研究低压环境下燃料的过热度、喷射压力和喷嘴几何结构对喷雾形状和液滴索特尔平均直径等喷雾特性的影响,测量了不同环境压力下的煤油泡点温度,并给出了环境压力和泡点温度的经验关系式。将过热的航空煤油通过直射式喷嘴喷入低压容器中,进行了不同喷射条件下的喷雾实验。使用高速摄影仪和激光粒度仪进行拍摄和测量,得到了一系列的粒子索特尔平均直径数据和喷雾图片。结果表明,过热度的增加、喷射压力的增加和喷嘴长径比的减小都能够改善煤油的喷射雾化效果。     

基于主动冷却的脉冲爆震火箭发动机燃油加温实验研究

在不影响脉冲爆震火箭发动机(PDRE)正常工作的前提下,利用燃油来吸收发动机实验模型工作过程中产生的大量废热,使其主动冷却,更重要的是通过对燃油加温来改善雾化、蒸发和掺混质量,以使PDRE工作得更好。本文设计了五种不同尺寸的爆震管同轴管状换热器,通过实验比较了这些换热器实验件的换热效率,并选取了最高效的换热器用于更进一步的PDRE性能实验。实验结果表明,加有换热器的实验件能快速蒸发燃油,从而改善了燃油雾化和掺混效果并且能延长发动机的工作时间。