超燃冲压发动机凹腔火焰稳定器阻力分析

为了研究凹腔火焰稳定器在超燃冲压发动机燃烧室内的阻力情况,采用了试验和数值仿真的方法,结合已有的研究结果、纹影图像和阻力测量等进行了分析。结果表明:在冷流中凹腔阻力受自由剪切层与后壁作用情况决定,来流总压高,作用面积大,凹腔阻力大;在反应流中,凹腔阻力小于冷流阻力,在高当量比条件下凹腔可能产生正推力;凹腔附近最强燃烧放热区对凹腔阻力影响较大,当最强放热区分布在凹腔前壁附近时凹腔可能产生推力;当最强燃烧放热区分布在凹腔后壁时,凹腔可能产生阻力。     

凹腔火焰稳定器阻力特性的实验研究

在超燃冲压发动机直连式实验中,模拟马赫数1.92、静温509K、静压86.6kPa来流,采用等截面燃烧室构型,利用推力测量系统对不同结构尺寸的开式凹腔火焰稳定器的冷流阻力和热试阻力进行了研究。通过对深度分别为10,15,20mm,长深比4~10,后壁倾斜角18°~60°的凹腔火焰稳定器的冷流阻力比较,实验表明凹腔火焰稳定器的冷流阻力与凹腔深度成正比;也与凹腔长深比成正比;并随后壁倾斜角的增大先减小后增大,在30°~60°范围内应存在一个角度使得冷流阻力最小。实验还以氢气为燃料,利用火花塞点火器进行点火,在燃烧模态下对不同喷注位置、不同当量比时的凹腔火焰稳定器阻力特性进行了对比,结果表明凹腔火焰稳定器的热试阻力比冷流阻力小,且受燃料喷注方式的影响较大;在实际超燃冲压发动机工况下,凹腔火焰稳定器的阻力随着当量比的增加而减小,并最终会表现为正推力。     

激波对凹腔火焰稳定器流场影响

为揭示激波对超声速流中凹腔流场的影响规律,在超声速流中利用长9 mm,坡度为23°的斜坡产生激波。组合利用高速摄影仪和纹影仪,采用碘钨灯、连续激光和脉冲激光作为光源,摄像曝光时间分别为1 m s,8 us,8 ns,获得了斜坡激波入射在单个凹腔中部、中后部和后部,以及激波入射在不同构型凹腔相同位置的流场纹影图像。结果表明,凹腔自由剪切层在受到激波撞击后,在入射点前会发生弯曲而偏向主流,在入射点后加速发展和破碎;激波入射点靠近前沿则引起凹腔前沿激波的增强,靠近凹腔后沿导致再附激波减弱。     

并联凹腔火焰稳定器超声速燃烧特性实验研究

为研究并联凹腔火焰稳定器的超声速燃烧特性,通过在凹腔上游喷注乙烯,采用单边扩张型燃烧室在当量比φ=0.43~1.07内进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=3.46,总温Tt=1430K。基于燃烧室壁面静压分布、推力增益、燃料比冲和燃烧流场的可见光与纹影图像分析了并联凹腔在不同当量比下的火焰结构、流场特征和燃烧性能。结果表明,上、下壁面凹腔附近的流动条件差异显著,燃烧过程与当地流动条件之间的强烈耦合作用使得燃烧室内火焰分布显著不对称。发动机燃烧性能对当量比十分敏感,壁面静压水平和推力增益随当量比增加持续升高,但φ=0.43~0.62时的增加速率远大于φ=0.76~1.07时的。φ=0.43~0.62时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而升高;而φ=0.76~1.07时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而降低。     

凹腔支板火焰稳定器自燃点火性能初步试验

以凹腔支板火焰稳定器为研究对象,在进口温度为750~900℃、马赫数为0.20~0.28、氧气体积分数为13.4%~15.8%、喷嘴距支板前缘5~50mm及常压的条件下,开展自燃点火性能的试验研究。试验表明:凹腔支板火焰稳定器在进口温度为850℃以上可成功实现自燃点火。自燃点火性能随进口温度的升高而提高;随着进口马赫数的提高,火焰稳定器自燃点火成功的温度范围越窄;随着燃油喷射距离的增大,稳定器自燃点火性能有所提高。稳定器的凹腔结构能够稳定火焰。      

受均布载荷的双模量陶瓷简支梁的有限元计算

为了验证应力球张量法是否适用于双向应力状态下的不同模量计算,以受均布横向载荷的拉压模量不等材料的简支梁为例,建立其有限元模型,利用所研发的模块对简支梁进行了结构分析。通过对比所得有限元解与其解析解的计算结果,确定了误差范围,分析了有限元解的变化规律及其合理性。结果表明:正应力的最大误差不超过4.5%,竖向位移的最大误差不超过5.4%,切应力的最大误差不超过3.5%,满足工程上的要求。应力球张量法适用于双向应力状态下不同模量计算。     

带凹腔的支板火焰稳定器三维大涡模拟

为研究支板冷态流场,应用LES(大涡模拟)的方法对带凹腔的支板火焰稳定器在Ma=0.06和 Ma=0.09两种工况下分别进行三维数值模拟.对比试验和仿真结果表明:三维大涡模拟结果具有与试验相似的流场结构,定量对比试验和LES结果的尾涡脱落频率的最大相对误差为9.4%;支板尾部截面流向时均速度的最大相对误差为7.7%.表明数值模拟方法和边界条件设置的正确性和可信度.又对支板的三维流场进行分析:速度越大,支板尾涡的尺寸和强度越大;支板流场存在明显的三维效应,并且随着速度变大,三维效应越明显.      

超声速燃烧室凹腔火焰稳定器的数值模拟

为分析凹腔火焰稳定器在超声速燃烧室中的流动特性,运用数值模拟方法研究了凹腔对H2超声速燃烧的作用规律。通过对比分析不同凹腔长深比L/Du,后缘倾角θ,后缘深度Dd和H2喷射位置Ljet对燃烧室性能的影响,发现凹腔的火焰稳定机制主要在于富含自由基的高温回流区;L/Du=7~9,θ=30°,Du/Dd=1.0和Ljet=24mm的燃烧室强化混合燃烧的性能较好,可以获得较高的燃烧效率和总压恢复。     

燃油喷射方式对凹腔支板稳定器火焰传播性能的影响

火焰稳定器的火焰传播性能对燃烧效率与燃烧室长度预测非常重要。在实验验证的基础上,采用三维数值模拟的方法,基于凹腔支板稳定器下游的温度分布及离子浓度分布规律,研究了燃油喷射位置、喷射角度及油气比对凹腔支板稳定器火焰传播性能的影响。研究表明,在来流温度900℃、马赫数0.2、值班油气比4×10-3及主流油气比2.8×10-3~6.8×10-3条件下,支板稳定器下游离子浓度分布趋势与温度分布趋势几乎相同,可同时用来预测火焰传播性能;值班供油位置越靠近稳定器前缘越有利于增强火焰传播性能;当主流油气比为2.8×10-3时,主流喷油位置更靠近稳定器前缘或者采用侧喷方式更有利于火焰传播;随着主流油气比增大至5×10-3~6.8×10-3,主流喷油位置远离稳定器前缘及顺喷方式拥有更加良好的火焰传播性能;喷射角度相同时,喷油位置显著影响油气比对火焰传播性能的影响;喷油位置相同时,改变燃油喷射角度,油气比对火焰传播性能的影响相对较小。     

亚燃冲压发动机中凹腔与V槽火焰稳定器性能对比分析

通过亚燃冲压发动机直连式试验和数值计算,对凹腔火焰稳定器及V槽火焰稳定器的点火性能和燃烧性能进行了初步研究.结果表明,凹腔火焰稳定器可以直接用高能火花塞点燃,而V槽火焰稳定器只能用氢气引导火焰点燃;火焰稳定方式与燃料的喷注方式相对应,中心喷注方式适用于V槽火焰稳定器,壁面或者贴近壁面的喷注方式适用于凹腔火焰稳定器.燃烧性能方面,凹腔属于边区组织燃烧方式,V槽火焰稳定器属于中心组织燃烧方式,更有利于已燃气体和未燃气体的混合.凹腔与V槽的燃烧效率较为相近,但V槽火焰稳定器具有较高的总压损失.      

凹腔底壁喷射位置的数值模拟与试验

为探究凹腔底壁不同喷射位置对碳氢燃料的燃烧性能的影响,在直联式超燃试验台上进行了凹腔底壁不同喷射位置的气态燃料(乙烯)、液态燃料(煤油)以及气泡雾化煤油(起泡气体为氢气、空气、氮气)的超声速燃烧试验。并针对凹腔底壁不同位置喷乙烯进行了数值仿真。通过分析燃烧室壁面压力与数值模拟结果得到:凹腔底壁不同喷射位置对气态燃料的点火性能影响不大,燃烧性能随喷点位置的后移下降。煤油通过靠近凹腔前缘的喷孔喷入可顺利点火,而通过靠近后缘的喷孔无法实现点火。应用氢气作为起泡气体的气泡雾化喷嘴后,实现了所有喷点的点火,但随着喷点位置的后移,煤油的燃烧性能下降。     

带U型槽射流缝隙式稳定器燃烧性能的试验研究

对提出的带U型槽射流缝隙式稳定器(简称U型)进行了热态燃烧性能的试验研究,并与V型和双V型稳定器进行了对比。燃烧试验表明:在特定供油方式下,V型和U型稳定器的点火性能好,双V型最差;U型稳定器的燃烧效率最高,双V型次之,V型最差。这些结果说明了本文提出的U型稳定器能够很好地改进双V型稳定器在上游用雾化槽供油时点火困难和火焰稳定性差的不足,兼具蒸发式稳定器和双V型稳定器的优点。冷态流场测量结果表明:U型稳定器在稳焰槽内的流动具有三元结构,在稳定器下游形成较双V型稳定器更强的回流区和低速区,从而使其具有较双V型稳定器更好的点火性能和火焰稳定性。      

凹腔喷射超声速燃烧火焰结构实验研究

为加深对凹腔喷射超声速燃烧火焰结构的认识,利用OH基自发辐射成像和PLIF技术对凹腔上游横向喷注氢气的超声速燃烧流场进行研究.结果表明,火焰主要分布在凹腔剪切层附近及喷流内部,喷口附近没有火焰;燃料喷注当量比、燃料喷注位置及凹腔构型对火焰分布和火焰强度影响较大,在设计燃烧室时应加以考虑.     

模型燃烧室中值班火焰稳定器的燃烧不稳定性研究

针对值班火焰的燃烧不稳定性问题,通过试验得到了不同当量比工况下的火焰结构、压力脉动信号和热释放脉动信号。对脉动信号进行傅立叶分析,获得了脉动信号的频率和振幅。结果表明,随着当量比增加,火焰形态发生变化,燃烧室内发生了164Hz三阶模态向109Hz二阶模态的转换。对火焰平均结构、火焰瞬态结构和火焰正交分解（POD）结果进行分析后发现,漩涡脱落频率和燃烧室某一阶声学模态耦合是维持燃烧不稳定性的机理,耦合的强弱和漩涡脱落的尺度大小决定了热声振荡的振幅大小,火焰形态的变化导致热释放中心位置的变化是引起模态转换的机理。     

钝体火焰稳定器后燃烧不稳定数值模拟

为了缓解航空发动机加力燃烧室中频繁出现的燃烧不稳定现象,利用商业软件Fluent对带钝体火焰稳定器的模型加力燃烧室进行基于大涡模拟（LES）的3维热态数值仿真。通过分别改变加力燃烧室的来流温度、来流马赫数、燃油当量比3种影响燃烧的关键因素来分析其对火焰稳定器后燃烧不稳定现象的影响。结果表明：来流温度从600 K提升到1200 K时,钝体稳定器后火焰形式由直线状的剪切层火焰向波浪状的漩涡火焰转变,燃烧不稳定机制由K-H不稳定向BVK不稳定转变;来流马赫数从0.1提高到0.3时,燃烧不稳定的脉动频率随之提高,压力脉动的幅值随之增大,但放热脉动的幅值先增大后减小;燃油当量比从0.5增大到0.7时,燃烧不稳定的频率变化较小,压力脉动与放热脉动的幅值存在先增后减的趋势。     

折叠V形火焰稳定器原型的冷态与稳燃特性研究

为了获得折叠V形钝体这一新型火焰稳定器原型的冷、热态特性,采用风洞实验与混合雷诺平均/大涡模拟结合的方法对10组不同折叠角的折叠V形钝体火焰稳定器模型进行了冷态实验与热态数值模拟研究。其中冷态实验风速10~50m/s,来流雷诺数10000～80000,热态数值模拟工况为进气温度700K、来流速度50~150m/s,来流雷诺数20000～60000,当量比0.2~1。通过实验测得了不同折叠角折叠V形钝体总压恢复系数,通过数值模拟进一步获得了阻力系数、吹熄性能与燃烧效率,并获得了折叠V形钝体下游火焰时均轮廓。研究表明,折叠V形钝体总压恢复系数与阻力系数优于标准钝体,总压恢复系数随钝体折叠角减小而增大,阻力系数随折叠角减小而减小;折叠V形钝体抗吹熄能力与燃烧效率均优于标准V形钝体;折叠V形钝体的下游火焰扩散特性与标准V形钝体有显著差异。上述特性揭示了折叠V形钝体具备改善加力燃烧室性能的较大潜力,在实际应用中,还需对稳定器的空间排布做进一步研究与优化。     

分布式非预混火焰传递函数的实验研究

非预混燃烧是动力设备和推进系统中常见的燃烧组织形式。为了理解非预混火焰的动力学特性、预测和控制其振荡燃烧现象,有必要获得其火焰传递函数。本文通过实验测量对分布式非预混火焰的传递函数进行了研究,实验对象为甲烷空气同心射流火焰。实验中使用双麦克风技术测量燃烧室出口速度脉动,作为传递函数的输入量;使用CH基自发荧光测量燃烧过程的放热率脉动,作为传递函数的输出量。搭建了卡塞格林光学测量系统,以提升放热率测量的空间分辨率,实现单点测量,进而得到一维分布式火焰传递函数。结果表明,在频域内,实验中测得的传递函数的幅值沿火焰轴向存在两个峰值,在幅值的峰谷处相位角有180°翻转,这是热斑以对流速度向下游传播,跨越火焰面时所造成的。     

支板喷射超声速燃烧火焰结构实验

为明晰支板喷射超声速燃烧火焰精细结构,并探索其影响因素,利用自发辐射成像技术和平面激光诱导荧光技术(PLIF)对支板喷射超声速燃烧流场进行研究。结果表明,燃烧室内形成了典型的扩散火焰,且火焰稳定在支板尾部的回流区,宽度与支板厚度处于同等量级;支板厚度和燃料喷注当量比对火焰结构有显著影响,增加支板厚度会使火焰基底变宽,火焰长度变短,有利于燃烧室内部的快速放热和缩短燃烧室长度,增加燃料喷注当量比会使火焰长度增加,燃烧强度增大。     

航空发动机鼓筒零件内腔尺寸的测量与评价

主要介绍应用三坐标扫描功能对航空发动机某鼓筒零件内腔尺寸进行扫描测量并将数据导入到CAD软件中实现图形化处理,进行测量结果的评价方法。