高超声速流动的气体吹除控制方法研究

为了在超燃冲压发动机直连式试验台上得到真实的非均匀试验气流,采用商业软件Fluent对高超声速流动的气体吹除控制进行了数值研究。在试验台喷管和发动机隔离段之间增加了吹除控制段,试验了4种吹除方案。常温空气从位于控制段顶部、侧部和底部的吹除口注入,吹除口包括长槽、短槽和圆孔等,吹除气体的流量为来流流量的8.3%~13.3%。以超燃冲压发动机自由射流计算结果为基准,比较分析了控制段出口截面马赫数分布。结果表明,"顶槽"方案能够得到较为理想的吹除效果,吹除参数优化后可为试验提供指导。     

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。     

超声速燃烧室中支杆位置对煤油燃烧的影响

使用支杆喷注煤油,可以通过喷孔使煤油获得初步的雾化而有利于煤油与气流的混合,从而更快地达到点火条件。为研究支杆在燃烧室中的位置对煤油掺混及燃烧性能的影响,在燃烧室入口马赫数2和3条件下,开展了支杆位于第一位置(燃烧室前部)和第二位置(燃烧室中部)时对煤油燃烧影响的数值模拟及试验。根据试验获得的壁面压力及数值模拟结果,得到以下结论:(1)支杆位置越接近氢气燃烧区,喷出的煤油可以更多、更快地进入该区域进行能量交换,减少煤油点火延迟时间。(2)支杆位于第二位置,支杆前后的近壁面低速区与氢气燃烧区前的回流区连成一片,增加燃料驻留时间,增强混合,有利于火焰向上游传播。(3)在煤油能够点火燃烧的前提下,支杆位于第二位置,煤油与氢气燃烧区域的高度超过燃烧室高度的一半,导致该区域流通面积减小,超声速气流减速,升温,促使煤油燃烧强度更高。     

超燃冲压发动机带凹槽的燃烧室流场振荡研究

为了分析闭式凹槽的流场振荡现象,结合试验和二维非定常数值模拟方法,开展了三种条件下的非定常研究.通过实验发现,长深比较大的凹槽作为超燃冲压发动机火焰稳定装置时,凹槽的冷流流场存在强烈的振荡现象.结合二维非定常数值模拟方法,初步分析了振荡机理:振荡的主要原因是燃烧室入口气流马赫数的大小,马赫数2.0条件下,流场周期振荡;马赫数3.0条件下,流场可以稳定存在.根据分析结果给出了流场特征与马赫数的定性依赖关系.通过增加隔离段长度的方法对分析结果进行了验证.     

基于壁面压力的试验参数分析方法

为了在冲压发动机试验过程中丰富试验参数类别和提高参数分析速度，针对直连式超燃冲压发动机，原创性地提出了基于壁面压力测量结果的试验参数分析方法。该方法引入原子流量守恒方程 构建了封闭方程组，在无需任何额外测量仪器的条件下，以壁面压力、来流参数和燃烧室面积变化律为输入，求解方程组可快速获得超燃冲压发动机的马赫数、温度、速度、组份浓度、燃烧效率等参数。结合三维数值计算和地面试验，通过两个算例对该方法的可行性进行了验证。结果表明，该算法可以获得较高的精度，在燃烧室出口，速度、温度等误差均在5%以内，组份浓度分布和数值结果非常吻合。     

油气比对超燃发动机点火过程的影响

为了研究油气比对超燃发动机自点火性能的影响,利用二维非定常化学非平衡计算方法模拟了总温2000K,总压3.0MPa,入口马赫数3.0,煤油油气比为0.2和1.0时超燃发动机的自点火过程。具体可以得到以下结论:(1)总油气比越高,燃料传播速度越快;燃料首先沿着剪切层传播至凹槽后缘,之后在凹槽漩涡的带动下向凹槽上游和底部传播。(2)凹槽回流区温度高,点火延迟时间短,低油气比的气体一旦进入凹槽回流区后即可在凹槽后缘和上方点火。(3)火焰从凹槽的上沿和右边向凹槽底部和左边传播。(4)总油气比越高,点火越困难。     

空气节流对超燃发动机燃烧性能的影响

为优化隔离段及燃烧室内的流场结构,减小流动速度,提高流道压力,在凹槽稳焰器下游布置空气节流装置,向燃烧室内喷入高压空气,目的是在隔离段建立合适的激波串,以利于点火和火焰稳定.采用CFD方法,对比了无/有空气节流时的冷流流场、燃烧流场,结果表明:节流激波串扩大了低动量区域,激波引起的流动扭曲和较长的驻留时间使得分离流内的空气/燃料混合程度得到显著增强,混合效率由无节流时的40％提高到85％,燃烧效率由无节流时的10％提高到60％.对节流位置和节流量进行了参数化研究,以隔离段入口为坐标原点,分别考察了785,1 000,l 100 mm三个流向节流位置,以及10％,15％,30％三种节流量的影响,结果表明:距离凹槽较近的节流位置对燃烧的影响更为显著,所需节流量更少.30％的节流量将使燃烧室背压急剧提高,引起流动壅塞.研究表明在785mm的流向节流位置采用15％的节流量可获得最好的燃烧性能.     

空气/煤油火炬点火器设计及试验

为解决超燃冲压发动机点火难题，设计了一种以空气和煤油作为氧化剂和燃料的火炬点火器。点火器能量设计为300kW，空气和煤油的设计流量分别为98.9g/s和6.7g/s。采用软件CHEMKIN4.0对不同当量比条件下点火器出口气流参数进行了计算，将点火器的工作状态优选为富氧模式。煤油从点火器端面经旋流喷嘴注入，空气分为一次喷注和二次喷注两个支路，采用普通汽车火花塞点燃空气煤油混合物。建立了试验系统，压力测量和摄影图像表明该点火器能够在当量比在0.3~1.3范围内可靠工作。点火器的起动时间约为0.9s，火焰长度约为30cm，存在高频率小幅值脉动燃烧现象。试验表明该点火器能够可靠点燃超燃冲压发动机。