冲压发动机突扩型燃烧室压力振荡问题(综述)

本文综述了近年来在控制冲压发动机突扩型燃烧室高振幅、低频压力振荡方面所取得的最新技术进展.介绍了用于抑制压力振荡的被动和主动控制技术.详细地讨论了燃烧室内声波动特性、剪切层流动不稳定性和热释放过程之间的相互作用以及对高振幅、低频压力振荡的影响,并根据当前在该领域的研究结果提出了几点建议.     

燃油分级比对LESS燃烧室压力振荡频率的影响

实验研究了燃油分级比对low emissions with stirred swirls(LESS)燃烧室压力振荡频率的影响,在燃烧室进口压力为1.14~2.77MPa,燃烧室进口温度为645~808K,总油气比为0.0242~0.0303,燃烧室压降为3.14%~3.64%范围内,随着燃油分级比减小(32.7%降到5.21%),压力振荡频率下降.采用了简单均匀介质直管道模型和CFD数值方法分析燃油分级比对压力振荡频率的影响.结果表明:燃油分级比引起火焰区的起始位置、轴向长度和平均温度的变化是导致压力振荡频率变化的主要原因.      

典型工况下低排放燃烧室的压力振荡特性

为了研究低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡特性,针对模型燃烧室进行了燃烧自激振荡特性试验.在试验中测量了采用贫油预混预蒸发(LPP)燃烧技术的低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡频率和幅值,在燃烧室进口压力为1.10～2.77MPa、燃烧室进口温度为656～845 K、燃烧室压降为3.41％～4.35％范围内,分析了燃油粒径变化对振荡特性的影响.分析结果表明:局部当量比脉动是引发燃烧不稳定的因素之一.通过计算燃油二次雾化状态下的液滴最大粒径,发现燃油液滴粒径的变化对主燃级出口处的局部当量比脉动有直接影响,从而引起燃烧室压力振荡幅值和频率的变化.     

空气节流对乙烯燃料超燃冲压发动机流场结构影响研究

空气节流可以有效地实现超燃冲压发动机燃烧室燃料的稳定燃烧,采用非定常数值模拟和地面试验研究了空气节流作用下乙烯燃料超燃冲压发动机的流场特性。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K,静压0.1MPa,845mm处节流条件下,冷流流场达到稳定所需时间较短,约为2ms;在空气节流开始后的6ms注入燃料实现发动机的起动点火是合适的;28ms后燃烧流场稳定,流场呈现短周期的小幅振荡,周期约为0.86ms,振荡对流场的影响很小;壁面压力数据的数值模拟结果与试验结果匹配良好,数值模拟更加全面地给出了流场结构信息。     

超声速燃烧室壁面压力特征实验研究

为了评估基于燃烧室壁面压力实时监控的双模态超燃冲压发动机闭环控制系统方案的可行性,在西北工业大学地面直连式实验台上开展了一系列双模态超燃冲压发动机燃烧室地面直连式实验。实验模拟了飞行马赫数4.0条件下两个不同燃烧室构型点火燃烧的实际工作过程,测量并分析了燃烧室壁面压力脉动、压力响应和激波串前沿位置等特征。燃烧室进口来流状态为马赫数2.0、总温约880K、总压0.8~1MPa。实验结果表明,燃烧室壁面压力存在明显脉动,且脉动幅度随着油气比的增加呈现增加趋势;壁面压力响应很快,响应时间在毫秒量级,说明在超燃冲压发动机闭环控制中,通过燃烧室实时壁面压力反馈来调节供油控制燃烧室工作状态是可能的;另外,通过改变燃油流量能够实时控制隔离段激波串前沿位置。     

某固体火箭发动机工作末期不稳定燃烧

针对某固体火箭发动机工作末期出现的压力振荡现象开展了数值研究与线性预估.通过有限元方法得到了燃烧室空腔的声模态及固有声振频率,轴向1阶与2阶声振频率随燃面退移先减小后增大;利用大涡模拟方法分析了燃烧室内的流场特性及压力振荡特性,振荡频率与试验结果一致,判定该发动机出现了以轴向1阶声振频率为主导的不稳定燃烧;其次分析了发动机内阻尼特性,其阻尼随燃面退移不断减小;最后通过不稳定燃烧线性理论解释了该发动机工作末期出现压力振荡的机理,表明燃面退移过程中喉通比下降是导致发动机由线性稳定转向线性不稳定状态的关键因素.      

突扩燃烧室低频压力振荡的大涡模拟

振荡燃烧是冲压发动机研制过程中面临的严峻问题,而振荡燃烧与涡运动规律密切相关,文中用大涡模拟的方法对突扩燃烧室冷态流动条件下的涡运动和低频压力振荡进行了模拟,并在此基础上得出了影响振荡频率和幅值的因素。     

小固体燃料冲压发动机燃烧室的研究

小固体燃料冲压发动机燃烧室基本上是一圆柱形药柱,空气通过燃料通道流入.在进气道末有一后向台阶,形成气流回流区以提供火焰稳定的必要条件.再附着区下游,燃料的气化物或分解产物和空气间的气相扩散火焰在已扩展到整个燃料表面的边界层内形成.小固体燃料冲压发动机燃烧室的结构简图以及主流和燃烧特性示于图1.试验系统可模拟所要求飞行条件下的燃烧室和能进行必要测量与控制的静态试验系统已建成和运用(图2).这一系统借助于带有绝热管和抗高温电磁阀的空气电加热器(25kW)来提供流量可控的(达到25g/s)、热的(800K)、高压(1MPa)的空气.氮气吹除装置是用来冷却熄火后的燃烧室.     

同轴突扩燃烧室低频不稳定燃烧数值模拟

采用大涡模拟耦合预混燃烧方法,建立了液体冲压发动机不稳定燃烧计算模型。对模型发动机进行了不稳定燃烧数值研究,计算得到的发动机内压强振荡和火焰传播过程与文献中的实验数据吻合较好。结果分析表明,突扩构形发动机内大尺度的旋涡结构支配了燃烧室中的火焰传播过程,旋涡运动耦合非稳态的燃烧热释放是激发燃烧室低频压强振荡的重要原因。     

冲压发动机燃烧稳定性及瞬态压力测量结果分析

本文针对冲压发动机地面试验中存在的不稳定工作现象进行了分析,并对燃烧室压力测量系统特性进行了计算,以判断所得测量结果的真实性.根据冲压发动机的使用特点,文中还提出了燃烧稳定性要求.     

蒸发式稳定器低压高温试验

1引言从化学动力学方面分析,低压不利于燃料与空气的化学反应,当压力降低至一个大气压以下,两态混气紊流燃烧的物理和化学过程发生很大变化,压力下降造成稳定器回流区缩小、回流量减少,紊流强度和雷诺应力减少,紊流尺度变大,燃烧室的压力降低也会造成燃油的雾化质量下降,燃油雾     

超燃冲压发动机双凹腔燃烧室氢气燃烧流场分析

为了比较超燃冲压发动机中双凹腔燃烧室相对于单凹腔燃烧室在促进燃烧方面的优势,运用高速摄影仪拍摄了氢气当量比为0.07时燃烧室中的火焰情况,结合数值仿真结果,得出如下结论:小当量比情况下氢气燃烧很稳定,燃烧区域主要集中于前凹腔的剪切层和该凹腔所围成的三角区以及该凹腔下游壁面位置,燃料喷口周围没有火焰;无论是串联凹腔燃烧室还是并联凹腔燃烧室,相同条件下燃烧时壁面压力均比单凹腔燃烧室高,串联凹腔之间的回流区为燃烧提供了有利的条件;在一定范围内,串联凹腔之间的距离越近,燃烧放热越集中,壁面压力越高.      

折流燃烧室燃烧流场大涡模拟

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构，对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程，获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态流场结构。数值计算结果表明：（1）冷热态下燃烧区流场结构分为主回流区和次回流区两部分，主回流区冷态时呈现多涡结构，热态时回流区形状受燃油射流影响呈现对称的双涡结构；（2）燃烧室中各涡团结构由各进气孔射流相互作用形成，涡团结构促进燃烧室内部的能量和质量交换；（3）热态时燃烧室前后涡流板周围存在两个稳定的点火源。     

涡脱位置及温度对涡声效应压力振荡影响

为探索涡-声效应对固体火箭发动机中压力振荡特性的影响,基于VKI (Von Karman Institute for Fluid Dynamics)发动机,通过改变挡板位置与燃气温度,对旋涡脱落引起的压力振荡进行了大涡模拟数值研究.耦合分析表明:挡板位于速度波腹附近,压力振荡最为严重;旋涡能量在输运过程中易于被湍流耗散,靠近喷管的二阶速度波腹处旋涡脱落压力振幅明显高于其它位置.解耦分析表明:温度对旋涡脱落频率影响不大,当旋涡脱落频率与声振频率分离后,压力振幅显著下降.     

双燃烧室冲压发动机直连式实验与数值仿真

通过直连式实验和数值仿真,对双燃烧室冲压发动机的流场结构和性能进行了研究.数值仿真采用了半全局多步化学反应机理,计算的压力分布和实验结果基本一致,计算结果表明:中心高温富油燃气与边区空气在混合层内快速反应,热力喉道出现在约0.9m处,出口处的燃烧效率达到了较高水平.提出了结合直连式实验和数值计算的性能估算方法,结果表明:双燃烧室发动机在马赫数为4,高度为17km状态时具有较高的性能,当燃油当量比为0.9时,发动机内推力为8.3kN,内推力比冲为12.29kN·s/kg,更高的燃油当量比将导致超燃进气道不起动.      

冲压发动机助推段压强振荡现象数值分析

为了揭示串连式冲压发动机飞行助推段进气道和补然室内压强振荡产生的机理,针对冲压发动机的助推段开展了进气道和补燃室内流动的大涡模拟,获得了进气道和补然室内压强振荡的频率和振幅,并和飞行实验数据进行了对比。结果表明,在助推段串连式冲压发动机进气道和补燃室内发生的压强振荡现象属于典型的整体模式不稳定现象;助推飞行马赫数、飞行高度的变化对整体模式不稳定现象压强振荡的频率和振幅影响不大。     

回流区油气比对加力燃烧室燃烧性能的影响

通过分析和估算，说明火焰稳定器回流区内燃油浓度是决定回流区化学反应率和加力燃烧室燃烧性能的关键，在来流速度场和燃油浓度场不变的条件下，稳定器的形状不同，燃油收集率β2和液态燃油蒸发率β3也不同，因此引起回流区燃油浓度差异大，导致加力燃烧室性能的变化。在设计和调试加力燃烧室的过程中，既要考虑火焰稳定器的形状和布局，又要考虑稳定器与燃油浓度场的匹配，而回流区的燃油浓度则是分析和考虑的主要方面。     

双模态燃烧室隔离段激波串位置的测量及控制

隔离段是双模态超燃冲压发动机隔离进气道和燃烧室相互干扰、实现亚燃-超燃双模态的重要部件.在发动机实际工作过程中,燃烧室反压引起的进气道不起动在飞行器加速爬升阶段是需要极力避免和预防的.针对双模态超燃冲压发动机整机模型和燃烧室模型进行了数值模拟研究,分析了激波串前沿位置与隔离段压力分布的关系,在此基础上介绍了三种通过隔离段壁面压力实时测量和监控隔离段激波串前沿位置的方法,并完成了验证实验.结果表明,所使用的计算方法有效可行;隔离段壁面压力分布能够很好地反应隔离段的激波串前沿位置,通过监控隔离段壁面压力分布,控制隔离段激波串前沿位置,能够有效避免和预防燃烧室反压过高引起的进气道不起动问题.     

涡轮冲压组合发动机燃油系统温升仿真研究

为了实现涡轮冲压组合发动机(简称组合发动机)燃油系统温升仿真计算,基于Flowmaster软件平台首次建立了组合发动机燃油系统温升仿真计算模型,为提高精度,根据试验数据自定义了航空煤油随温度压力变化的物性模块代替软件内置物性模块,基于此进行仿真计算得到不同工作模态下燃油系统温升情况。计算结果表明:涡轮模态工况下自定义物性模块计算得到的主要节点温升与软件内置物性模块相比总体偏低,且压力变化越大计算结果偏差越大;模态转换期间各子燃油系统流量迅速变化对燃油温度影响十分显著;冲压模态工况下燃油流量为2.68倍主燃烧室燃油流量时,可承受的最大发动机热负荷为400kW,最大飞行马赫数为5。实现了对发动机燃烧室入口燃油温度的预测和评估。     

RP-3和RP-5燃油对全环回流燃烧室点火性能影响研究

为了了解RP-3与RP-5燃油对某小型全环回流燃烧室高空点火性能的影响,在低温低压点火试验器上,保持燃油温度与进口空气温度相同,在-40℃、-30℃、-20℃和0℃,空气压力为44kPa、54kPa、62kPa和101kPa条件下,分别对使用RP-3、RP-5燃油的全环回流燃烧室试验件开展点火试验。结果表明：RP-3燃油在试验的低温、低压条件下可以点火成功,RP-5燃油在温度为-40℃的条件下不能点火成功;燃烧室进口空气参数相同、两种燃油均能成功点火时,RP-5燃油的燃烧室点火边界比RP-3燃油窄20%左右,且其平均着火时间比RP-3长6.8s,但从着火成功到全环周向联焰成功的间隔时间比RP-3短2s;随着燃烧室进口温度降低,两种燃油在相同状态下的点火边界差别逐渐扩大,燃烧室进口空气压力对点火边界的影响比空气和燃油温度的影响大。