Numerical investigation of flow separation behavior in an over-expanded annular conical aerospike nozzle

A three-part numerical investigation has been conducted in order to identify the flow separation behavior––the progression of the shock structure, the flow separation pattern with an increase in the nozzle pressure ratio(NPR), the prediction of the separation data on the nozzle wall,and the influence of the gas density effect on the flow separation behavior are included.The computational results reveal that the annular conical aerospike nozzle is dominated by shock/shock and shock/boundary layer interactions at all calculated NPRs, and the shock physics and associated flow separation behavior are quite complex.An abnormal flow separation behavior as well as a transition process from no flow separation at highly over-expanded conditions to a restricted shock separation and finally to a free shock separation even at the deign condition can be observed.The complex shock physics has further influence on the separation data on both the spike and cowl walls, and separation criteria suggested by literatures developed from separation data in conical or bell-type rocket nozzles fail at the prediction of flow separation behavior in the present asymmetric supersonic nozzle.Correlation of flow separation with the gas density is distinct for highly overexpanded conditions.Decreasing the gas density or reducing mass flow results in a smaller adverse pressure gradient across the separation shock or a weaker shock system, and this is strongly coupled with the flow separation behavior.The computational results agree well with the experimental data in both shock physics and static wall pressure distribution at the specific NPRs, indicating that the computational methodology here is advisable to accurately predict the flow physics.     

喷嘴损伤对环形回流燃烧室性能的影响

利用Fluent商用软件对模型环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场进行了数值模拟,研究了喷嘴损伤引起雾化效果变化对燃烧室性能的影响,采用可实现的k-ε模型模拟湍流黏性、离散相模型（DPM）通过添加UDF(user defined function)程序追踪燃油运动轨迹、正庚烷作替代燃料及层流小火焰模型.计算结果表明:采用的数值模拟方法可以预估实际燃烧室燃烧流场以及喷嘴损伤对其性能的影响,雾化性能变化导致燃烧室出口温度分布不均匀度升高,品质降低,并导致燃烧室燃烧效率降低;当燃油流量降低约19%时,燃烧室性能已不符合运行要求.      

Gasodynamic characteristics of a combustion chamber in the integrated power plant with an asymmetric air intake

The results of experimental investigations of gasodynamic characteristics of a combustion chamber model in the integrated power plant (IPP) with an asymmetric air intake are presented. The influence of an angle of air supply into the chamber model on hydraulic losses and the flow structure is shown at different air flowrates, relative values of the minimal flow section area of the feeding air intake pipes, under changes of the flowrate of gas simulating gas generation products and geometric model parameters. A technique for measuring the concentration of carbon dioxide simulating IPP gas generation products in the combustion chamber air flow and the results of experimental investigations of a mixture formation process in the combustion chamber model are described.     

环簇式塞式喷管中立体激波的拓扑结构

采用仅显示环簇式塞式喷管单元间干涉激波区域网格点作为可视化方法对数值模拟结果进行后处理,得到了直观的三维干涉激波图像,并归纳得到三种干涉激波的拓扑结构和一种脊状能量泄漏区.结合文献中的实验数据分析了三种拓扑结构所造成的干涉损失,为设计提供参考.      

双环预混旋流与单、双环腔燃烧室性能对比

将中心分级的双环预混旋流(TAPS)燃烧室、单环腔燃烧室(SAC)及双环腔燃烧室(DAC)采用相同的扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸,采用相同的数理模型,对TAPS燃烧室,SAC,DAC进行三维数值模拟.对比研究了TAPS燃烧室,SAC,DAC的总压恢复系数、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数、污染排放等性能参数.研究结果表明:采用TAPS燃烧室,可获得比SAC和DAC更高的总压恢复系数及燃烧效率;比SAC和DAC更低的燃烧室出口温度分布系数及NO_x等污染的排放,尤其是设计工况下出口NO_x排放.从研究结果来看中心分级的TAPS燃烧室的技术优势十分明显,是一种很有发展前景的高温升、低污染燃烧室.      

气氧/酒精火炬式点火器试验

为研究火炬式点火器旋转液膜冷却的冷却机理,设计了气氧/酒精火炬式点火器,并在冲压发动机试车台上进行了试验,试验中设置的最长工作时间20 s,总流量变化范围8~40 g/s,获得了压力、燃烧室下游壁面附近温度等试验数据,并通过与相似结构以液氢为燃料的试验结果进行对比,得到了如下定性结论:在一定余氧系数下,液体燃料沿壁面旋转进入火炬点火器燃烧室时,若液体燃料沸点较低(如液氢),则燃烧室下游燃烧产物为气态;若液体燃料沸点较高(如酒精),则燃烧室下游燃烧产物核心部分为气态,周围为液态。     

轴对称射流矢量喷管的试验和数值模拟

对基于激波来实现推力矢量的轴对称射流矢量喷管的缩比模型进行了测力和测压试验，用推广到可计算可压缩流的SIMPLE方法其内外流场进行了数值模拟，根据试验和数值模拟结果分析了喷管主流与次流相互作用产生的复杂流场结构、二次流流量和落压比对气动矢量角的影响，在落压比3～6范围内，二次流流量和喷管主流比值增大，气动矢量角增大，两者比值相同时，落压比增大，气动矢量角减小。     

数值分析二级涡流器环形燃烧室的燃烧性能

采用多维经验分析法在任意曲线坐标系下对包括二级突扩扩压器、双级轴向涡流器及火焰筒在内的单头部环形燃烧室的燃烧性能进行计算.并对RNGk-ε紊流模型加以改进, 使其更适用于数值模拟非交错贴体坐标系下的三维两相化学反应流.采用EBU-Arrhenius紊流燃烧模型、六通量热辐射模型以及颗粒群轨道模型对油雾燃烧进行模拟.同时, 数值分析了不同涡流器几何尺寸对燃烧室整体流场和燃烧性能的影响, 数值计算结果与实验数据相当一致, 表明计算方法合理, 计算程序可靠, 可用来估算环形燃烧室的燃烧性能.      

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

直射式双旋流空气雾化喷嘴的雾化效果

介绍了一种直射式供油的双旋流空气雾化喷嘴的喷雾性能.该双旋流器采用旋向相反的径向开孔式设计,在常温常压下进行喷雾试验,研究了不同空气压力降和气液比工况下液雾的索太尔平均直径(SMD)及分布指数.试验中雾化液体为航空煤油,采用马尔文激光测雾仪测量喷嘴端面下游50mm处的液雾分布.研究结果表明:随着气液比的增加,SMD减小,分布指数也减小,并且存在一个关键气液比,在超过关键气液比的工况下,液雾的SMD及分布指数变化很小.     

超燃冲压发动机喷管下唇板可调方案

高超声速飞行器在飞行接力点和巡航结束点受喷管冷、热态膨胀状态不同的影响,会产生较大的冷、热态俯仰力矩差,从而对飞行器姿态控制带来较大困难.针对该问题,研究了下唇板可调方案对降低冷、热态俯仰力矩差的有效性,对不同下唇板角度进行数值模拟,得到了喷管性能参数.结果表明:下唇板旋转6°时,设计马赫数Ma=4.5下冷、热态俯仰力矩差下降29.57%,推力系数减小0.42%.并且进行了下唇板角度可调方案的风洞试验和对应的数值模拟,对比发现数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的可调方案及数值模拟结果的正确性.      

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。      

Experimental investigation of a gliding discharge plasma jet igniter

Relight of jet engines at high altitude is difficult due to the relatively low pressure and temperature of inlet air. The penetration of initial flame kernel affects the ignition probability in the turbine engine combustor greatly. In order to achieve successful ignition at high altitude, a deeper penetration of initial flame kernel should be generated. In this study, a Gliding Arc Plasma Jet Igniter(GAPJI) is designed to induce initial flame kernel with deeper penetration to achieve successful ...     

离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴雾化特性研究

对一种组合式的离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴喷雾特性进行研究.双旋流器采用旋向相同的径向开孔式设计,在常温常压下试验,研究不同空气压力降和喷嘴供油压力工况下液雾的索太尔平均直径及分布指数.试验中以航空煤油为介质测试其雾化性能,采用马尔文激光测雾仪测量喷嘴下游50 mm处的液雾分布.结果表明:随着空气压力降和喷嘴供油压力的增大,索太尔平均直径减小,分布指数增大,推导了在空气压力降Δp/p＞3%和Δp/p＜3%两种工况下索太尔平均直径计算模型.      

环形燃烧室两相喷雾燃烧的大涡模拟

在三维任意曲线坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法对环形燃烧室火焰筒气液两相紊流瞬态反应流进行数值模拟.采用椭圆偏微分方程生成三维贴体网格,计算中所采用的数学度模型有:k方程亚网格尺度模型估算亚网格紊流粘性;亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率;热通量辐射模型估算辐射换热.并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解,液相采用随机离散模型(Stachasttc Separated Flow,简称SSF),在拉格朗日坐标系下追踪各油珠群沿各自轨道运动、质量损失及能量变化.通过计算结果与实验数据相比较,表明在三维贴体坐标系下对燃烧室火焰筒两相紊流油雾燃烧流场进行大涡模拟,采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法能反映两相紊流化学反应流流动及实际燃烧过程.     

间冷回热涡扇发动机回热器在喷管内的安装布局研究

通过引入多孔介质模型,建立了适用于复杂管束结构的CFD计算模型,并利用文献数据对其进行了校核。在此基础上,对安装回热器模块后的喷管流场进行数值仿真研究,得到燃气在喷管内的流动结构、压力损失及流量分配参数。基于Isight优化平台,在给定相同压力损失条件下,得到通过回热器最大总燃气流量下的安装方案,以及安装变量对优化目标函数的影响权重,可为回热器安装设计提供指导,并为进一步的全三维CFD研究提供理论支持。     

内混式空气助力喷嘴喷雾水滴尺寸分布建模

获取喷嘴出口喷雾的水滴尺寸分布(DSD)和水滴平均直径(MVD)对地面结冰实验设施云雾参数计算与调试至关重要。采用相位多普勒干涉仪对内混式空气助力喷嘴开展了喷雾实验研究;采用最小二乘法确定了DSD经验函数参数,建立了喷嘴出口喷雾的DSD模型,探究了喷嘴动力参数(NDPs)对DSD的影响;校验了Wigg MVD估算公式及其修正形式,分析其在具体工程应用中的局限性,提出了基于NDPs的MVD估算公式。研究发现:修正Rosin-Rammler分布函数与实验数据更为吻合,可作为描述喷嘴出口喷雾DSD的模型;NDPs对DSD有明显影响,且气压的影响更为显著;基于NDPs的MVD估算公式能提供精度可接受的MVD预估值,且比Wigg MVD估算公式及其修正形式更易于工程应用。     

塞式喷管主喷管角度特性

首先建立了塞式喷管角度特性的研究模型，并运用简化的塞锥设计方法设计塞锥型面，在此基础上，通过连续改变主喷管倾角来研究主喷管倾角对塞式喷管的推力性能的影响，并确定在给定设计条件下的主喷管最佳倾角，还分析研究了底部高度，内膨胀比，总膨胀比，总压和飞行高度与主喷管最佳倾角的关系以及变化规律，针对特定的塞式喷管实验发动机，进行了初步的变角度实验，并与计算结果进行比较和分析。     

轴对称喷管与圆转方喷管冷却换热特性的比较

为了解和比较轴对称喷管与圆转方喷管不同的再生冷却换热特性,分别对轴对称喷管(推力室)与圆转方喷管(推力室)建立计算模型,通过数值模拟的方法重点研究和比较了轴对称喷管与圆转方喷管的流场、壁面热流密度和温度分布、冷却剂温升和冷却通道压降等换热特性.计算结果表明:圆转方喷管由于型面不连续,在转方位置后壁面出现了温度和热流密度的峰值,从而导致沿周向壁面温度和热流密度的分布也不均匀.      

双环腔燃烧室置换单环腔燃烧室可行性研究

在保持燃烧室的扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸与单环腔燃烧室一致的前提下,将燃烧室重新设计为径向分级的双环腔结构.采用相同的物理模型,用Fluent软件对单、双环腔主燃烧室分别进行全流程的三维数值模拟.结果表明,采用双环腔燃烧室,可明显提高燃烧室的总压恢复系数、燃烧效率;降低燃烧室出口温度分布系数、NOx/CO等污染的排放,尤其是慢车状态下的CO排放.用双环腔燃烧室置换单环腔燃烧室是可行的.