高压氢氧火箭发动机推力室燃烧稳定性分析

针对高压氢氧火箭发动机推力室不设置隔板喷嘴和声腔的结构方案,利用火焰传递函数+低阶声学模型的解耦预测仿真方法,分析了不同喷注参数和结构参数下燃烧室的燃烧稳定性裕度。采用非定常雷诺平均NS方程(URANS)计算同轴直流喷嘴非稳态燃烧过程以获取火焰传递函数,其中采用Soave Redlich Kwong(SRK)状态方程计...     

基于热声解耦方法的燃烧不稳定性预测

大型空气加热器易发生燃烧不稳定现象,造成加热器不能按预想状态工作,甚至失效.由于难以通过试验获得加热器燃烧室内部的精确参数,因此数值仿真是预测燃烧不稳定性的重要手段.通过对燃烧室内部燃烧-声学解耦的方式,分别计算火焰对声学扰动的响应和声学系统在热源扰动下的响应,将声学扰动下的燃烧响应表征为火焰传递函数,最终可获得燃烧室...     

多模态热声不稳定混沌现象实验研究

热声不稳定是一种常发生在航空航天发动机中,会对发动机造成危害的现象,该现象实质上是声波与非定常热释放的相互耦合。本文设计了一个多孔预混火焰Y型里开管（Rijke管）装置,用以研究多频率非线性热声不稳定性。这种简化燃烧室结构能够很好捕捉真实发动机中由于复杂几何结构引起的多模态热声不稳定性。通过改变火焰的当量比和其在Y型里开管上游的位置,来遍历燃烧室中不同热声振荡行为,并结合短时傅里叶变换（STFT）、相空间重构等方法分析了不同非线性热声振荡行为,发现在改变工况时,会出现高频极限环状态、高频向低频的模态转换状态、低频极限环状态、准周期状态以及混沌状态等现象,而在当量比为0.94的工况下会出现两个不稳定频率模态争夺的实验现象,在实验结果基础上,深入分析了这些非线性现象的成因。     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

用Tam-Thies湍流模型研究带小突片的喷管流场特性

 首先,采用标准k-ε模型、可实现（realizable）k-ε模型、重正化群（RNG）k-ε模型和Tam-Thies模型4种湍流模型模拟了不同工况下的两种轴对称喷管和带有4片小突片的喷管流场,并将计算结果与实验值进行对比。结果发现：Tam-Thies模型所得出的模拟结果与实验值符合最好。然后,用Tam-Thies模型模拟了小突片后倾角不同的喷管的流场,和没有小突片的喷管的计算结果对比,发现：带有小突片的喷管的尾喷流的核心区长度变短,喷管出口下游气体的混合加剧;而当小突片后倾角增大时,核心区长度先减小后增大;在每个小突片下游产生一对方向相反、强度相同的流向涡,当小突片后倾角增大时,流向涡强度呈现出先增大后减小的趋势,而喷管的引射系数增益和推力损失系数都逐渐减小。     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性，在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而，目前并没有合适的理论模型，来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型，通过理论推导隔板喷嘴声导纳，利用分离变量法结合实验验证，研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明，存在最佳隔板喷嘴间隙，对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳；随着隔板喷嘴数量或长度的增加，燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势，且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础，研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

V型尾缘喷管流场特性数值模拟

模拟计算了一系列V型尾缘(Chevron)收敛喷管的详细涡结构(包括流向涡和展向涡)、引射系数、推力损失等性能,并与相关实验结果进行了对比验证。采用有限体积QUC IK格式和标准k-ε湍流模型,结合壁面函数求解雷诺平均的N-S方程。通过模拟计算与实验结果的对比,验证了计算方法的可行性。通过计算得出:V型尾缘喷管齿弯角越大,核心区长度越短,喷管出口下游的流向涡和展向涡的强度和尺度也越大。V型尾缘的齿弯角每增加1°,对应的喷管的堵塞比约增加0.98%,喷管的推力损失约增加1.71%,引射系数约增加3.45%。     

发动机燃烧室中火焰对来流扰动的动态响应研究综述

以航空航天发动机和工业燃气轮机燃烧室中的热声振荡为背景，介绍了热声不稳定性的基本概念和物理特性。首先，讨论了燃烧室中火焰对来流扰动的动态响应，分析了受扰动影响时火焰热释放率的脉动过程，回顾了火焰传递函数和火焰描述函数的实验、仿真和理论研究方法及结果。之后，讨论并分析了横纵向扰动、纵向双频率扰动以及考虑火焰曲率效应下的火焰响应特性。最后，介绍了近年来学界发现的一种与火焰响应密切相关的热声不稳定现象——固有热声不稳定，探究了火焰响应对固有热声不稳定模态的影响作用，分析了火焰响应在燃烧室热声振荡系统中的作用。     

流动拓扑对液体射流失稳与雾化的影响

在大推力液体火箭发动机燃烧过程中，推进剂射流失稳与雾化是起始环节，会对后续蒸发与燃烧等过程产生显著影响。尽管前人做过很多研究，但对湍流射流雾化机理的认知还存在盲区。基于此通过流动拓扑理论来揭示湍流液体平面射流的雾化机理。采用直接数值模拟方法对静止空气环境下的液体平面射流雾化过程进行了高分辨率数值模拟，分析了流场中不同拓扑结构与气液界面曲率的相互影响，阐明了流动拓扑对液体平面射流雾化的影响机制。研究发现，所有流动拓扑结构都有助于产生压缩应变率和拉伸应变率，其中不稳定焦点结构(UFC)拓扑结构对流场应变率的影响最大；在流动拓扑结构影响下，液体体积分数等值面的曲率与应变呈现负相关关系。另外，UFC主要产生拉伸应变率，而其余流动拓扑结构主要产生压缩应变率。研究结果表明: 射流雾化过程主要受到UFC拓扑结构的影响，UFC会促进气液界面产生较大的拉伸应变率，进而促进片状或管状结构液体结构生成，从而引起液体射流破碎。