基于激光吸收光谱层析技术的超燃冲压发动机氢气引导煤油燃烧过程分析

为了解超燃冲压发动机引导点火过程中燃烧流场截面参数分布特征和传播规律,利用激光吸收光谱技术对氢气引导煤油燃烧过程进行测量和分析.在约200ms的引导燃烧过程中,激光吸收光谱层析测量系统对流场截面温度二维分布进行了全程的测量,时间分辨率为1ms.对于测量结果,重点分析了氢气加注、上壁面煤油加注和下壁面煤油加注三个关键阶段...     

激光吸收光谱技术测量非均匀燃烧流场研究进展

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有非侵入性、灵敏度高和时间响应快等优点,将激光吸收光谱技术与最小二乘法、计算机断层扫描重建技术(CT)相结合,可以实现对非均匀燃烧流场的分布测量。首先简要介绍了激光吸收光谱技术的发展历程及测量基本原理,然后分别对激光吸收光谱技术测量非均匀流场一维分布、二维分布的国内外研究现状及关键技术进行了综述,比较分析了二维非均匀流场诊断实验中旋转和固定两种安装模式的优缺点及相对应的光线布局,总结了用于流场二维重建的相关重建算法,最后讨论了激光吸收光谱技术测量非均匀流场研究工作的发展趋势和有待解决的相关问题。     

凹腔稳定的超声速火焰结构的实验研究

凹腔是高湍流度超声速燃烧的火焰稳定装置。为研究其尺寸结构及喷注位置对不同燃料燃烧性能的影响,设计了不同凹腔、不同位置横向喷注的氢及乙烯的超燃实验,拍摄了凹腔内OH.基与CH.基自发辐射火焰图像。并利用非线性分形的研究方法,分析了火焰分形维数与燃烧程度及火焰稳定性的关系。用大涡模拟方法对二维凹腔氢超燃流场进行了数值仿真,分析了凹腔流场结构,并对凹腔后缘压力时间序列进行了相空间重构,计算了其分形维数。实验及仿真结果均表明:燃烧的分形维数高时,燃料与空气接触充分,燃烧剧烈,易于火焰稳定。     

部分覆盖构型对凹腔冷态和燃烧流场的影响

为了研究凹腔部分覆盖构型对燃烧室流场的影响,采用SST k-ε湍流模型和有限化学速率/涡破碎模型,对部分覆盖型凹腔的冷态和燃烧的二维流场进行了数值仿真。比较了贫燃和富燃条件下,覆盖板对凹腔燃料分布、流场温度和燃烧效率的影响。研究发现贫燃下,覆盖板有利于凹腔内燃料的积累,提高了凹腔的火焰稳定性,同时由于点火适宜的当量比区域位于凹腔内低速区,增强了凹腔点火能力;富燃下,覆盖板使凹腔内富燃环境进一步恶化,降低了凹腔的火焰稳定性和燃烧效率,主要燃烧区部分向下游转移。     

基于TDLAS技术的燃烧室出口温度场测量

为验证可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,在航空发动机燃烧室燃烧流场测量领域的适用性,以自主设计的高温升模型燃烧室为研究对象,结合多光路正交布网的测量方法,对燃烧室出口的燃气温度进行测量,并利用层析算法实现测量截面的二维分布重建,同时采用固定的温度探针进行测量与对比验证。结果表明,采用TDLAS结合层析重建的方法,基本能获得具有时间分辨的燃烧室出口温度分布的主要特征,可以区分高温区和低温区,但单线测量和场分布重建精度还有待于进一步提高。进一步优化该系统,可用于航空发动机燃烧室出口温度和组分浓度分布测量。     

二甲苯点火延迟时间和燃烧发射光谱测量

为了研究二甲苯三种同分异构体的点火特性,获得该燃料燃烧反应重要自由基OH,CH和C2的变化信息,在化学激波管中利用反射激波点火,点火温度1224~1478K,点火压力0.18~0.21MPa,燃料当量比1.0,由单色仪光谱系统测得了二甲苯/空气的点火延迟时间,并用ICCD瞬态光谱探测系统测得了点火温度1440K时对二甲苯/空气燃烧的时间分辨瞬态发射光谱。实验结果表明:对二甲苯点火延时对温度的敏感程度最高,邻二甲苯和间二甲苯的点火延时对温度的敏感程度相近;在相同实验条件下,间二甲苯和对二甲苯的点火延迟时间比较接近,邻二甲苯的点火延迟时间最短。在对二甲苯燃烧反应中,OH,CH和C2自由基一旦出现很快达到其浓度峰值,但各个自由基的消失过程各不相同,CH和C2自由基存在的时间很短,且相对浓度变化趋势几乎完全一致,而OH自由基持续时间最长。     

超声速反向混合实验及其压力温度测量

对超声速反向射流混合加热方案进行实验验证。实验结果表明：控制向燃烧室注入水雾的流量可以方便地调节燃烧室的温度和压力；用双路氢氧进气系统易于实现稳定的点火和燃烧。用热电偶测量混合前后的流场温度分布的初步结果表明，反向射流混合方案基本可行。     

带凹腔的超声速燃烧室燃烧流场数值模拟

对带凹腔结构的燃烧室二维甲烷燃烧流场进行了数值模拟.采用迎风3阶精度MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程,湍流模型采用剪切修正的RNG k-e湍流模型,分别分析了凹腔不同的长深比和导流槽结构对燃料燃烧的影响;对喷甲烷燃烧工况进行了计算研究.结果表明:凹腔可以提高燃烧效率,却使总压恢复系数降低;凹腔的长深比越高,燃烧效率越高,总压恢复系数越低;在总压恢复系数较高的情况下,采用导流槽可进一步提高燃烧效率.     

超燃冲压发动机燃烧室出口温度场分布CARS测量

针对超燃冲压发动机研究中对燃烧室出口温度场的测量需求以及暂冲式超燃冲压发动机燃烧台架试验中的应用难点,开发了适用于瞬态燃烧场温度测量的单脉冲相干反斯托克斯拉曼反射（CARS）系统及CARS光谱计算和温度反演软件CARSCF。采用USED相位匹配方式来降低湍流影响,结合多尺度小波分析方法来实现CARS光谱降噪处理,提高信噪比。在暂冲式脉冲燃烧风洞上开展了来流马赫数2.6条件下超燃冲压发动机燃烧室出口温度测量试验,获取了超声速来流（冷态）建立、H₂点火加热空气、建立超声速燃烧流场直至试验结束过程中的燃烧室出口温度,以及煤油/空气燃烧时燃烧室出口温度场分布。结果显示,超声速冷流时温度处于低温（约205K）状态,随着H₂点火加热来流空气,来流温度上升至853K;随着煤油/Air点火,温度急剧上升,稳定燃烧状态下燃烧流场温度为1970K±144K。燃烧室出口截面温度场分布测量结果显示,高温区位于燃烧室出口截面上侧区域,而燃烧室出口截面上中间区域的温度低于上下两侧。燃烧室出口温度分布CARS测量结果与火焰自发光成像结果一致,表明单脉冲CARS技术用于瞬态燃烧流场温度测量的可行性。     

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

燃烧室燃烧与排放特性试验与数值计算

为了探寻燃烧室进口空气温度、压力以及油气比对点熄火边界、温升、燃烧效率以及主要排放物摩尔分数的影响规律， 对航空发动机燃烧室在多工况下的点熄火特性、出口温度分布与主要排放物摩尔分数进行了试验测试。分别采用正癸烷的简化 反应机理与C 12 H 23 燃料的单步反应机理，对该燃烧室火焰筒内流场结构、温度场、中间组分与主要排放物摩尔分数分布特性进行了 数值计算，并与相应试验数据进行了对比分析。结果表明：随着燃烧室进口空气温度、压力以及油气比的提高，燃烧室燃烧效率、 温升、出口平均温度与NO X 摩尔分数逐渐提高，而UHC与CO摩尔分数逐渐降低；与采用C 12 H 23 燃料单步反应机理相比，采用正癸 烷的简化反应机理计算得到的火焰筒内流场与温度场分布更为合理，火焰筒出口温度场分布以及主要排放物摩尔分数与相应试 验数据更为接近，计算精度得到较大提高。     

RBCC发动机燃料喷注位置变化对混合燃烧模式燃烧的影响

为了研究混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧的影响,通过数值模拟的方法,研究了喷注位置变化时,流道组分质量分数分布、高温放热区域及流道压强分布的变化规律.结果表明,混合燃烧模式中,喷注位置变化对燃烧流场影响很大.在燃烧室中,燃料喷注位置靠前能给燃烧带来帮助,提高燃料与二次来流的掺混能力,并且由于燃料与一次火箭高温羽流相互掺混等影响提前,加快燃料的雾化蒸发,促进燃烧流场的火焰传播,减少煤油点火延迟时间,提高了燃烧效率.因此为了提高混合燃烧模式下的燃烧性能,应尽可能选择燃烧室前端位置进行燃料喷注.      

采用二维贝叶斯方法求解旋转盘腔导热反问题

为了研究压气机旋转盘腔换热特性,实现准确求解转盘表面传热系数,引入二维贝叶斯方法,此方法采用先验分布优化测温误差,并且更加符合转盘的二维特性。通过加入噪声的模拟数据验证方法的可行性,结果表明无测温误差时方法的平均误差是3.2%,有测温误差时方法的平均误差是10.6%,并分析了误差来源。通过与已有实验结果对比,发现方法更适用于计算转盘迎风面与背风面传热差异较大时的表面传热系数,平均相对误差为9.6%,满足实际工程精度的要求。通过改变盘面温度测点数量,发现测点增加会提升计算精度,并采用统计抽样理论分析原因,发现在可接受误差为10%时,所需要的测点数量比较合理。     

基于PLIF技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验

以数值仿真的结果作为参考,开展了基于PLIF(平面激光诱导荧光)技术、高速摄影技术等非接触光学燃烧诊断技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验研究。通过联合光学诊断对不同设计工况的燃烧流场进行诊断测量,获得燃烧室内OH分布,燃烧流场发展演化过程、火焰的结构等信息,对燃烧流场进行详细的分析。研究结果表明:气氧/气甲烷剪切燃烧火焰存在明显的剪切燃烧层,且随着轴向距离的增加,火焰逐渐失稳;随燃氧速度比的增加,流场涡旋作用明显加强,火焰根部稳定段变短,瞬时火焰结构卷曲和褶皱增多;仿真计算的OH分布与试验测得的OH分布相似,仿真模型能够合理预测气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴的燃烧流场。      

定容燃烧弹实验系统及C7燃料火焰速度测量

设计并搭建了适用于测量高温、高压条件下层流火焰传播速度的定容燃烧弹实验系统。详细介绍了定容燃烧弹实验系统的主要子系统的构成和功能,并阐述实验数据处理方法。测量初始温度为400K、压力为0.1MPa和0.3MPa,C7燃料(甲苯、甲基环己烷、正庚烷)/空气层流火焰传播速度,并与现有文献结果进行了对比。结果表明:该定容燃烧弹实验系统具有较高的可靠性,不仅能够准确测量较高初始温度、不同初始压力条件下燃料/空气的层流火焰传播速度,而且能够拓宽测量火焰传播速度当量比的范围。      

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.      

尾缘吹气稳定器初始雾化场实验及对燃烧计算的改进

利用激光测雾仪(PDA)对尾缘吹气式火焰稳定器尾缘出口的初始雾化场进行了实验研究, 在静止空气中测量了尾缘出口下游不同截面上的各点处的液滴直径、速度等参数, 分析了雾化场结构, 初步探讨了初始雾化场的特征.同时, 根据初始雾化场的实验结果给出燃烧数值模拟的初始雾化条件, 并把计算结果与燃烧实验数据和经验数值计算结果进行对比, 分析了实验初始雾化场数据对燃烧数值计算的改进效果.结果表明, 初始雾化场实验数据对燃烧室出口温度分布及燃烧效率的计算, 都有一定程度的改进, 其中对燃烧效率计算的改进效果更为明显.      

某驻涡燃烧室性能数值模拟

设计了适用于某驻涡燃烧室模型的喷油杆,对该喷油杆进行了冷态雾化试验,在不同的气液比、不同的气体和液体压力下研究了喷油杆的雾化性能.通过计算流体动力学(CFD)方法对驻涡燃烧室进行了冷态和热态的数值模拟,得到了燃烧室内部的速度场、温度场和质量分数分布.计算结果表明:该燃烧室设计合理,结构紧凑,燃料燃烧充分,凹腔试验件的壁温分布较为理想.得到了总压损失和出口温度分布的变化规律:燃烧室的总压损失略偏大,出口温度分布较为均匀.并对出口温度分布的规律进行了试验验证,研究结果可以为驻涡燃烧室的工程应用提供参考.      

航空发动机主燃烧室高温测试技术

依据航空发动机主燃烧室结构及RR等国外发动机公司的研制经验,阐述了航空发动机主燃烧室试验器应当采用的合理布局。结合各类主燃烧室试验器的结构,以测量燃烧室出口温度场为目的,介绍了4种可用于燃烧室试验器温度场测量的技术,同时给出了1种燃气分析燃烧温度通用计算方法。对4种高温测试技术在不同类型燃烧试验器上的应用特点进行了比较。指出燃气分析方法测量燃烧室出口温度场具有可测量高温、数据精度高、高压环境性能可靠、在使用寿命周期内成本低的优势,是目前温度场测试的首选。     

圆环片扰流器对爆震燃烧特性的影响

在飞行状态下成功实行液态燃料的连续爆震在工程上有较大的难度。通过在爆震管内安装扰流器促进爆震波的形成,并针对不同扰流器结构参数对管内爆震燃烧压力和火焰传播速度的影响开展了实验研究,获得了爆震燃烧特性随扰流器长度、间距和起始位置的变化规律。结果表明:燃烧波峰值压力和火焰传播速度随扰流器片数、间距的增加和起始位置的变大而增大;当在管内产生爆震波后(爆震波峰值压力大于1.4M Pa,火焰传播速度>1 000 m/s),燃烧波压力和火焰传播速度随上述参数的改变变化不大。