超声速气流中复杂冷却结构的传热分析方法

针对应用于高超声速吸气式发动机中的复杂再生冷却结构,为了更好地对其进行传热性能评估,在充分借鉴液体火箭发动机传热分析方法的基础上,集成多种成熟高效的技术,建立了一种解耦的传热分析方法。该方法首先借助计算流体力学技术确定结构件工作的热环境,提取必要的参数后依据半经验关系式确定气侧的换热边界条件;然后,通过将冷却流动假设成一维流动,根据换热准则确定液侧的换热边界;最后,对冷却结构进行有限单元离散,计算传热过程,获得温度场特征。该方法将换热与导热过程解耦,降低了研究问题的复杂性,适用于复杂构型的热防护设计。通过后掠尖缘再生冷却支板的热防护试验,证实了传热分析方法的可靠性,且显示算法对本例的预测误差约在8%左右。     

亚燃冲压发动机燃烧室燃油浓度分布预测

基于Fluent两相反应流场计算平台，采用涡耗散概念模型，对典型亚燃冲压发动机燃烧室的两相反应流场进行三维数值模拟计算。重点研究温度场影响下的燃油气相分布，计算给出气相燃油在火焰稳定装置前后以及内部的分布，得到燃油在亚燃冲压发动机燃烧室内分布的一般规律。计算发现，稳定装置内部及近后方燃油分布较富，到达火焰峰以后，燃油浓度急剧下降。计算预测径向蒸发管后壁面与最外环蒸发管内的燃油富集，而中间环蒸发管燃油分布较贫，计算结果与燃烧试验结果一致。     

亚燃燃烧室稳态工作过程数值研究

采用Fluent流场计算软件,对液体亚燃冲压发动机燃烧室的稳态工作过程,包括点火前的冷流场与点火后的两相反应流场进行数值模拟研究。首先,通过二维计算,对比研究两种不同阻塞比燃烧室方案的冷流损失特性与回流区特性,进行方案初选。随后,对选型后方案进行两相反应流场计算,研究燃烧室热态工作过程的温度场、燃油分布与燃烧效率的一般规律,比较并选择适合的燃油供应方案;最后,对燃烧室进行三维详细结构的建模并计算。计算结果很好地揭示了燃烧室内的流动和燃烧过程,与试验数据吻合较好。     

亚燃燃烧室两相反应流场的燃烧模型

简要介绍6种可用于亚燃冲压发动机燃烧室计算模型的原理、特点及发展状况;选用两个有代表性的涡耗散概念模型与局部化学平衡模型的计算结果进行分析对比。定量结果显示,基于动力学反应机制的涡耗散概念模型对燃烧室流场的整体描述较好,基于快速反应的局部化学平衡模型会出现燃烧室火焰面前移现象,对于稳定器后方的流场计算结果,二者是一致的。由于考虑的组分较少,涡耗散概念模型计算的温度峰值要高于化学平衡模型的计算结果。两个模型计算的燃烧室室压、喷管出口总温等总体参数均与试验值接近。     

入口非均匀流对亚燃燃烧室性能影响数值研究

为研究人口非均匀流对亚燃燃烧室性能的影响,基于进气道出口试验测量数据,构造三种典型非均匀流型,对燃烧室进行三维数值计算,研究非均匀流对马赫数分布、温度场、燃油分布及燃烧效率的影响。结果表明：基于均匀流供油律,非均匀流影响燃烧室性能的机理是受流速主导作用,低速区域当量比偏高,高速区域当量比偏低。导致扩压段边区燃烧,烧蚀外环阻塞结构,而内圈高速区域燃烧组织效果欠佳。匹配供油律后,非均匀流燃烧性能有所改善,但难以达到均匀流水平。所以,提出了改进入口流均匀性及减弱非均匀流对燃烧不良影响的措施。     

一种应用于二维DG方法的次优策略

构建了最高达10次的二维Serendipity间断有限单元,作为二维节点型DG方法的次优应用策略。通过强制边界节点为勒让德-高斯-勒巴图积分点,保证了良好的边界插值特性。该种新构建方法使得单元内点通过最大化范德蒙行列式的绝对值确定,并得到了带约束非线性优化问题的全局收敛解。最终得到的节点分布具有特定的对称构型,单元的勒贝格常数较低,介于所见文献的其他类节点单元之间,表明可以作为插值单元进行计算。与紧致型节点单元相比,构建得到的单元节点数量仅比完备插值空间所要求的紧致节点数量多2个节点,成为一种次优应用策略。此外,相比于传统的张量积型节点单元,极大的节省了计算资源,更适宜在间断有限元类方法中应用。