后掠结构对超声速燃烧斜坡喷注器性能的影响

为增进超声速流场中燃料与来流的混合,提高超声速燃烧效率,缩短燃烧室长度,设计了两种结构的斜坡喷注器.并对这两种喷注器进行了纹影、油流谱和火焰传播等实验研究.对比数值仿真结果,分析了后掠角结构对斜坡混合性能影响的机理,发现后掠设计能有效促进流向涡的卷起,并加速燃料喷流柱的抬升过程,这不仅增进了混合,也有效增强了其对火焰的稳定作用.      

超声速燃烧斜坡喷注器结构与性能的研究

为了进一步研究斜坡结构特点对超声速流场混合增强作用,设计了膨胀型和压缩型两种斜坡实验件,并分别进行了火焰传播、纹影及油流谱实验。利用数值仿真的方法对斜坡后压力分布、激波间相互作用以及流向涡的卷起过程进行了分析研究,与实验结果对比一致。最后分析了本实验结果与国外相关研究的差异,论证了本文设计的两种斜坡喷注器中膨胀型斜坡有更好的自燃及火焰稳定作用。     

不同结构超声速燃烧斜坡喷注器性能对比研究

为了进一步研究斜坡结构特点对超声速流场混合增强作用,设计了膨胀型和压缩型两种斜坡实验件,并分别进行了火焰传播、纹影及油流谱实验.利用数值仿真的方法对斜坡后压力分布、激波间相互作用以及流向涡的卷起过程进行了分析研究,与实验结果对比一致.最后分析了实验结果与国外相关研究的差异,论证了该设计的两种斜坡喷注器中膨胀型斜坡有更好的自燃及火焰稳定作用.      

基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

乙烯超声速燃烧室悬臂斜坡喷注器射流数值分析

超声速燃烧室中燃料的掺混强化问题越来越受到各国的重视,为了研究超声速燃烧室中悬臂斜坡低动压喷射的流动特性,通过数值模拟方法研究悬臂斜坡喷注器对乙烯射流的作用规律,对比分析有无悬臂、有无后掠以及不同悬臂构型对流场的影响.结果表明:相对于传统斜坡结构,悬臂斜坡结构可使流场远场掺混效果得到明显改善,穿透深度增加;后掠结构能有效增强流场流向涡,从而达到掺混增强的效果,但同时带来更大的总压损失;三角悬臂斜坡结构相比于后掠悬臂斜坡结构对流向涡增强效果不明显,掺混效果弱于后掠悬臂斜坡结构,但总压损失较小;两种后掠悬臂斜坡结构的流场特性差异不明显.     

气动斜坡/ 燃气发生器方案燃料掺混性能研究

为了研究气动斜坡喷注器在提高掺混、点火及稳定火焰方面的作用,通过数值仿真方法,对气动斜坡及单孔直喷/燃气发生器2种方案冷流掺混流场进行了对比研究。结果表明:气动斜坡方案在燃烧室中能形成更强、更复杂的流向涡结构,对增进燃料掺混作用明显;在燃烧室后半段2种方案羽流面积相差不大,但是气动斜坡方案燃料质量中心在燃烧室中心区域附近,直喷方案燃料质量中心更靠近燃烧室上壁面,气动斜坡方案燃料分布更加均匀,到燃烧室出口处,掺混效率比直喷方案的高约10%;与直喷方案相比,气动斜坡方案对主流的影响更小,总压恢复性能优于直喷方案的,在燃烧室出口处,总压恢复系数比直喷方案的高约10%。     

超燃燃烧室悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构研究

超燃燃烧室中燃料的掺混强化问题备受关注,为了优化悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构在超燃燃烧室中的流场特性,运用数值模拟方法对悬臂斜坡喷注器/凹腔组合结构的冷、热流场进行研究,对比分析有无凹腔结构、悬臂斜坡喷注器/凹腔不同位置组合对流场特性的影响。结果表明:随着组合位置距离的增大,凹腔的稳定燃烧作用变强,但不同的组合位置会带来燃烧室不同的燃料掺混效果和燃烧特性;综合考虑,组合距离h=30mm虽然总压损失较大,但却拥有更强的燃料掺混效果和更大的燃烧效率收益,流场特性最优。     

构型参数对悬臂斜坡喷注器混合性能的影响

为探索高马赫数下激波诱燃冲压发动机前体/进气道喷注器构型参数对燃料/空气混合的特性的影响,运用隐式RANS仿真,对不同构型的悬臂斜坡喷注器进行了三维数值模拟并进行了对比研究。结果表明,15°压缩角构型最终的混合效率比基准构型高9%且有较大的燃料穿透度,同时会付出30%的总压损失代价;15°压缩角构型的总压损失是10°压缩角构型的两倍;0°膨胀角构型的混合效率始终高出基准构型11%,但有较大的总压损失;后掠构型与基准构型相比混合效率,燃料穿透度基本不变,负的后掠角总压损失最小;三种不同喷注间距的喷注器总压损失大小基本相同,近流场的混合效率相差不大,混合终了阶段,20mm喷注间距喷注器的混合效率达到了较高水平;50～150mm是燃料/空气掺混剧烈发生的区域。     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

三维效应对超声速湍流燃烧流动大涡模拟的影响研究

本文对空间发展Mac=0.61超声速湍流燃烧混合层流动开展了二维/三维大涡模拟（LES）研究,探讨了三维效应在超声速湍流燃烧流动的大涡模拟中的重要性。研究发现,相较于三维LES计算结果,二维LES大幅低估了超声速湍流燃烧混合层的增长率,湍动能的二维LES结果显著偏大而雷诺剪切应力显著偏小。因而,二维LES难以准确模拟超声速湍流燃烧混合层的增长率和湍流脉动特性。二维流动中漩涡拉伸、压缩机制失效,致使二维LES的漩涡结构与三维LES结果显著不同：二维LES计算所得流场呈现清晰的旋涡生成、发展、并对和破碎等演化现象,而三维LES的湍流结构呈不规则状。湍流与燃烧间存在强烈的耦合相互作用,由于二维LES难以准确模拟湍流特性,燃烧场进而在二维LES下呈现一系列特殊的、不同于真实燃烧流动情况的数值现象。漩涡运动带动燃料和氧化剂掺混,掺混界面为火焰前锋。由于漩涡结构不同,致使二维LES的火焰前锋面面积不同于三维LES结果,导致其难以获得准确的燃料效率,最终导致二维LES计算获得的统计平均火焰温度显著偏低。     

一种宽马赫数变几何超声速进气道气动性能研究

为了改善二元宽马赫数超声速进气道非设计点下的气动性能,设计了一种来流马赫数为2.0~4.5的变几何超声速进气道,对其气动性能开展了数值仿真研究,得出了性能较优的变几何方案,并与相应的定几何进气道进行了对比.研究结果表明:采用变几何方法可提高进气道在转级点的气动性能;随着来流马赫数的增大而增加进气道的楔角及内收缩比,可降低进气道的喉道马赫数;采用该变几何方法可有效提高进气 道宽工作范围的气动性能,在某些状态下流量系数和总压恢复系数比定几何进气道分别高出19.4%和55.8%.      

应用气泡雾化喷嘴的煤油超声速燃烧试验

在直联式超声速燃烧试验台上应用气泡雾化喷嘴,煤油当量比0.97和0.33分别使用氢气、空气和氮气为起泡气体进行了煤油超声速燃烧试验.在多种工况下实现了煤油的稳定燃烧.研究发现:凹槽火焰稳定器通过制造高温低速漩涡区增加煤油在燃烧室内的停留时间,并使煤油得到充分加热从而实现煤油的点火和稳定燃烧.通过气泡雾化喷嘴加入少量氢气,由于氢气进入燃烧室后迅速自燃释放热量,能够提高煤油的燃烧性能,使得煤油能够在无凹槽火焰稳定器的条件下稳定燃烧.      

湍流燃烧模型对氢燃料超燃室流场模拟的影响

采用化学平衡的假定概率密度函数(PDF)模型和火焰面模型计算了德国宇航研究中心的超燃室反应流,计算结果与有限速率反应模型的和实验的结果进行了对比.使用有限体积法离散Favre平均的N-S方程,湍流模型采用k-ε模型.研究表明:(1)有限速率反应模型在喷氢孔近场,化学平衡的假定PDF模型在喷氢孔远场不能准确捕捉流场的细致结构,而火焰面模型对全流场预测较好,后两种模型的计算时间较有限速率反应模型节省约38%;(2)超燃室内湍流和燃烧相互作用不可忽略,从预测精度和计算效率来看,火焰面模型有较好的工程应用前景.      

碳氢燃气超声速剪切流动燃烧数值模拟

数值模拟碳氢富燃燃气与空气二维超声速剪切流动的湍流燃烧.NND对流项差分格式高精度捕捉激波, B-L和普朗特混合长度模型模拟湍流粘性系数, Arrhenius反应动力学公式计算化学反应速率, 模拟非平衡态燃烧.计算的壁面压力值较好地符合了实验值.分析了剪切流驻焰稳定的波系结构, 从预测的流动参数和组分浓度分布判断燃烧状况的好坏, 从而为改善优化燃烧室结构提供工程参考.      

超声速燃烧的湍流流场数值模拟

选择了6个有代表性的湍流模型,对超声速燃烧湍流流场开展了数值模拟.采用的模型包括5个线性涡粘性模型和1个非线性模型,在非线性模型中同时引入了可压缩修正.数值结果表明,本文发展的数值方法可以成功地应用于求解可压缩、含化学反应的多组分N-S方程.同时引入可压缩性修正的二阶涡粘性模型给出的结果较好.     

基于气动斜坡/燃气发生器的超燃燃烧室实验

为探索超燃冲压发动机燃烧室中的新的火焰稳定技术,提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术,并在北航直联式超燃试验台对这种新型组合喷注器开展了超声速燃烧的试验研究。在模拟飞行马赫数5(燃烧室入口Ma=2),进行了冷流试验,获得了喷注器附近流场的纹影图像。本文设计了4种气动斜坡喷注单元,以乙烯为燃料,在约1kg/s试验气流中开展了多级喷注单元组合的超声速燃烧试验,在当量比0.78～1.22范围内实现了稳定的燃烧,经冲量分析法计算得到不同组合结构的燃烧效率为0.54～0.72。试验结果验证了这种新方案作为超然冲压发动机火焰稳定装置的可行性。