凹腔前后缘圆弧对流场干扰的数值研究

基于两方程k-ωSST模型,对不同半径前后缘圆弧凹腔构型的超声速流场进行了二维仿真,获得了相应的流场特征参数。结果表明,与直角前后缘相比,采用圆弧构型时凹腔后壁的激波得到增强;随着圆弧半径的增加,凹腔内部的速度有所增大,而温度、涡量则呈递减趋势,从稳焰、助燃的角度看,后壁上端压力增大可以促进质量交换,同时降低回流区温度。综合考虑凹腔的稳焰和助燃作用,提出了一个适当的圆弧半径范围。     

准直流放电等离子体对超燃燃烧室中碳氢燃料燃烧的影响研究

为研究低燃空比条件下,准直流放电等离子对超燃燃烧室中乙烯燃烧流场的影响,在凹腔上游以及底部前壁面处布置电极产生等离子体,通过数值模拟方法,分析了不同等离子体激励强度下,燃烧室凹腔后缘附近压力分布、燃烧室总压损失、乙烯燃烧效率和燃烧室中水的分布情况。研究结果表明:准直流放电等离子体激励强度越高,对凹腔后缘附近压力场稳定能力越强。等离子体的存在,使得燃烧室出口总压损失微弱增加,损失最大值增加1.9%。燃烧室中乙烯燃烧效率平均提高1.77倍,随着激励强度的提高,燃烧效率呈现先增高后降低的趋势。等离子体改善了燃烧室中水的分布,凹腔内部产物分布范围更广、燃烧更加充分。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果，实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态，采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体，分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时，会显著增强火焰上游甲烷燃烧，从而降低CH*空间分布高度和火焰高度；空气流量增大后，有利于促进甲烷充分燃烧，增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域，等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布，实现剪切层更宽范围燃烧，其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度，并随电压增大作用效果逐渐增强。此外，等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大，该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

等离子体喷嘴在超燃燃烧室中助燃的研究

为提高超燃冲压发动机燃烧效率,参考国内外研究给出了介质阻挡放电等离子体喷嘴基本构型并设计了电弧放电等离子体喷嘴基本构型,数值模拟了电弧(ARC)和介质阻挡放电(DBD)两种等离子体喷嘴安装在火焰稳定凹腔上游时的流场燃烧过程,研究了喷注氢气时等离子体对燃烧室各组分及温度、压力等关键参数的影响。结果表明:产物中水生成量有一定程度的增加,燃烧室压力、温度也有不同程度增长,起到了助燃效果,但电弧喷嘴的助燃效果更明显。     

单喷嘴模型发动机纵向高频燃烧不稳定性实验分析

为掌握喷嘴缩进长度和燃烧室长度对气氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响规律，设计并开展了单喷嘴模型发动机燃烧实验。实验选用了气液同轴离心式单喷嘴，采用中心供应氧气，液体煤油经切向孔沿轴向旋转进入喷嘴的形式，为测试燃烧稳定性，燃烧室和喷嘴缩进的长度分别作为实验变量，利用高频压力传感器采集数据，基于压力信号对实验结果，尤其是呈现的纵向高频燃烧不稳定性现象进行了细致地研究。结果表明:在本文研究条件下，随着缩进长度的增加，对纵向高频燃烧不稳定性产生阻尼作用，但不会消除纵向高频燃烧不稳定。燃烧室的长度在516和356mm之间存在某个值，使得喷嘴缩进长度对燃烧稳定性影响可以忽略。随着燃烧室长度的增加，一阶纵向声学频率逐渐减小，而幅值逐渐增强。出现这些现象的原因是燃烧过程压力振荡与声波存在相位差。此外，燃烧室长度对纵向高频燃烧不稳定性的影响比缩进长度更明显。     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

非平衡等离子体控制乙烯-空气旋流反扩散火焰实验研究

摘要：为研究非平衡等离子体自身特性及其对乙烯-空气反扩散火焰的影响，基于同轴旋流式等离子体喷嘴，采用交流激励介质阻挡放电（Alternating Current Dielectric Barrier Discharge, AC DBD）方式在乙烯旋流中产生非平衡等离子体，分别从放电图像、温度和流场变化等方面对乙烯等离子体的电学特性、热效应和气动效应进行了研究，最后通过反扩散火焰可见光和CH*自发辐射图像详细分析了等离子体对乙烯-空气反扩散火焰的影响及其机理。结果表明，AC DBD激励方式使乙烯旋流在喷嘴环缝内产生了丝状非平衡等离子体，丝状等离子体通道数目随着激励电压上升而显著增加。与空气等离子体和氧气等离子体相似，乙烯等离子体兼具热效应和气动效应，其热效应主要集中在放电核心区域，对射流加热作用微弱，对燃烧的影响可以忽略不计；气动效应显著，主要体现在增强了射流掺混、扩大了射流覆盖面积以及降低了转捩点高度，射流掺混的增强导致反扩散火焰最大释热强度提升，且在低当量比时较为明显，射流转捩点高度的降低引起了火焰中心位置下降。     

平流层螺旋桨多工况等离子体增效控制方案研究

基于S1223翼型建立了平流层螺旋桨3维模型,在螺旋桨上下表面设置等离子体激励器,设计了5种螺旋桨工况下的等离子体控制方案,采用唯象学等离子体体积力模型进行数值仿真,研究了5种工况下不同等离子体控制方案对螺旋桨拉力和效率的影响。结果表明,设计工况下不宜开启等离子体激励器,采用交流激励时等离子体对高转速前进工况下的螺旋桨控制效果不明显,低速重载工况和滑翔工况下螺旋桨拉力和效率增加,低转速抗风工况下螺旋桨拉力大。采用等离子体流动控制技术提高平流层螺旋桨性能是可行的,需要进一步开展大量研究以优化等离子体激励器的布置方案和控制方案,提高等离子体控制效果,以满足低速临近空间飞行器对推进系统的需求。     

贫燃条件下当量比对等离子体辅助起爆的影响

为研究贫燃条件下当量比对交流介质阻挡放电等离子体辅助起爆的影响,采用松耦合方法仿真求解了当量比分别为1.0,0.8及0.6三种条件下氢氧预混气体起爆过程,对比研究了放电产物时空分布特性、不同阶段爆震管内流场参数分布、起爆时间和距离以及推力壁动态历程。结果表明放电产物在同一周期内的时空分布形态不随当量比改变而变化,但随着当量比下降,各主要活性粒子的密度增大,增幅则降低。随着管内流速上升,等离子体对流场结构的改变更加明显,加速了形成稳定爆震波的各个子过程;不同工况下等离子体都缩短了起爆时间和距离,但当量比越低,缩短程度越小。对推力壁受力的动态分析也显示等离子体对流场演化的加速效果随当量比减小而减弱,不过其受力大小与等离子体无关。在本文贫燃条件下出现低当量比不利于等离子体发挥作用的原因包含两点,一是燃料占比降低带来的不利影响大于等离子体助燃的效果,二是放电区域尺寸有限。     

等离子体对超燃燃烧室凹腔性能影响的数值研究

在超燃燃烧室凹腔上游及其底部近前壁面处布置电极产生丝状等离子体,基于准直流电弧放电热阻塞原理,采用数值模拟方法研究了等离子体对燃烧室均温、凹腔均温、剪切层、凹腔阻力以及质量交换率的影响.结果显示:等离子体对燃烧室整体的温升效应可以忽略,但能够明显提高凹腔内平均温度;受丝状等离子体对凹腔的预热及对剪切层的“切割”作用,剪切层中沿流动方向的涡强度降低,从而降低了凹腔前缘及后缘撞击激波强度,使其附近压力分布更平滑;丝状等离子体存在时,凹腔阻力系数明显下降,质量交换率也大幅提高,但增大等离子体输入功率对改善控制效果的影响不明显.