甲烷/空气射流抬举火焰的大涡模拟计算

为了研究中高温伴流中的自动着火特性,采用大涡模拟(LES)和均匀搅拌器(PSR)结合假定概率密度函数的建表湍流燃烧模型对甲烷/空气射流在高温伴流中的抬举火焰数值研究,并比较反应进度的不同概率密度分布对结果的影响。结果表明,计算结果与实验值符合得较好。PSR建表方法能够捕捉到高温伴流抬举火焰的点火过程,能够正确预测火焰的抬举高度,但在火焰稳定燃烧区域该建库燃烧模型还存在不足。同时,反应进度的亚格子脉动对准确模拟抬举高度十分重要。     

超声速反应流火焰面/进度变量模型

基于Pierce低马赫数条件下的火焰面/进度变量模型,考虑可压缩性和激波的影响,发展了用于超声速湍流反应流的火焰面/进度变量模型.该模型通过求解混合分数和进度变量两个标量方程来描述化学反应,且采用火焰面方程解的完整的三个分支:稳态燃烧分支、具有局部熄火状态的非稳态分支和完全熄火分支.利用该模型对德国宇航中心(DLR)的超燃冲压发动机进行模拟,与稳态火焰面模型得到的附着火焰不同,计算结果捕捉到了熄火和火焰抬举现象;且数值阴影和平均温度分布与实验结果吻合较好.      

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

双模态超燃冲压发动机点火方案对比试验

在来流马赫数2、总温840K的双模态超燃冲压发动机扩张型燃烧室的冷启动工况下,对凹腔上游的煤油横向射流喷雾的三种点火方案(热射流点火、乙烯引导点火、凹腔内局部补氧点火)进行了试验对比研究.采用高速相机拍摄了不同点火方式下的初始火焰生成和发展过程,对比分析了各种点火方案的点火接力过程和压力响应特点.试验研究表明,热射流火焰和喷雾下游掺混燃烧后通过火焰逆传形成凹腔驻留火焰,室压受热射流供应及其与喷雾作用的非定常特性的影响较大;乙烯引导点火受乙烯燃烧强度的影响,在研究的参数范围内,由于生成的乙烯火焰较弱,易被煤油喷雾浇熄,旨在凹腔内形成接力火焰的点火方法未能实现乙烯引导的成功点火;在凹腔内局部补氧能够改善煤油喷雾的点火性能,点火接力过程过渡平稳.     

基于高速摄影图像处理统计分析的点火过程试验

针对空气来流马赫数为2.1、总温为846K,总压为0.7MPa的条件下凹腔内的强迫点火过程,利用高速摄影观测了凹腔主动喷注方式的乙烯强迫点火试验.基于高速摄影图像的合成分析和概率统计,提出了能够定量分析出点火过程凹腔火焰稳定和燃烧室火焰分布的试验研究方法;利用该研究方法,采用主动喷注方式在全局当量比为0.15和0.17(相应的主动喷注当量比分别为0.04和0.06)的条件下,对比研究了采用凹腔后壁面喷注的喷注方案和采用凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方案的点火试验过程;定量分析了这两种喷注方案点火后的凹腔火焰稳定和燃烧室内的火焰分布.当凹腔主动喷注当量比为0.04时,点火凹腔内并没有形成良好的局部压力反馈,火焰在点火凹腔内常以不连续形式稳定存在.当主动喷注当量比达到0.06时,整个燃烧室的火焰分布要更加均匀.针对超声速来流条件下的点火过程瞬态图像,该方法能够有效地开展定性分析和定量研究.      

钝体稳焰器尾涡控制研究

采用流场显示技术观察研究了尾流中加设隔板后钝体尾流的流动稳定特性;在V形钝体后加设隔板,作为火焰稳定装置,测量了其流阻特性,并进行了火焰稳定性能试验.试验研究和讨论了这种简单尾涡控制技术的各种效果.     

某折流燃烧室火焰筒壁温试验

在发动机整机上,利用多变色不可逆示温漆测温法对采用全气膜发散冷却结构的某折流燃烧室火焰筒的壁温进行了试验,获得了火焰筒壁面温度分布规律,并将试验结果与流场计算结果进行了对比分析.研究表明:①该折流燃烧室火焰筒壁温分布较均匀,冷却方式合理;②火焰筒壁温梯度较小,最高壁温远低于所选材料的允许工作极限值,预计该火焰筒使用寿命较长.      

沙丘火焰稳定器在冲压发动机上的应用研究

沙丘火焰稳定器是一种新型的火焰稳定装置,将它应用于冲压发动机中,尚有许多实际技术问题需要解决.沙丘火焰稳定器在全尺寸冲压发动机上试验结果表明:在发动机点火、稳定燃烧、燃烧效率及流阻损失等方面均优于V型槽火焰稳定器,特别是流阻损失小,可使发动机的临界推力提高,具有很好的应用价值.     

采用详细化学反应机理的火焰面模型模拟煤油两相燃烧流场

基于可实现的 k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型、火焰面模型和航空煤油详细化学反应机理对模型燃烧室内两相燃烧流场进行了数值模拟.其中详细反应机理由替代燃油(80%质量分数的正癸烷,20%质量分数的1,2,4-三甲基苯)的反应机理和NO_x的反应机理组合而成.通过与实验数据的比较,考察采用该详细化学反应机理的火焰面模型模拟RP-3航空煤油燃烧流场的准确性,特别是污染物排放计算的精度.结果表明:稳态火焰面模型模拟的温度场和CO₂生成量与实验数据吻合较好,而预测的NO排放量与实验值偏差较大;非稳态火焰面模型显著提高了NO的预测精度,在工况1(来流马赫数为0.16,进口温度为537K,油气比为0.0048,常压)条件下与实验数据吻合较好,但在工况2 (来流马赫数为0.155,进口温度为523K,油气比为0.010,常压)条件下仍过高估计了NO的排放量.      

障碍物的形状和作用方式对火焰变形影响的实验研究

火焰在障碍物作用下的失稳变形与障碍物的形状、大小以及作用方式有关.本文对火焰以翻越、穿越和绕过等三种方式与不同形状的障碍物相互作用时,火焰的发展变化特性与规律进行了实验研究.本文利用高速阴影照相系统,清晰的记录了不同形状的障碍物以不同方式与火焰作用时,火焰的变形和湍流的猝发,对不同作用方式下,火焰的结构特征进行了分析、比较和讨论.     

分级旋流火焰的燃烧不稳定性及火焰动力学

实验研究了贫燃预混分级火焰的燃烧不稳定性和火焰动力学特性。实验是在一个常温常压实验台上进行的,燃料为甲烷。通过对动态压力、热释放速率的快速傅里叶变换(FFT)分析,火焰图像的Abel逆变换、热释放积分、本征正交分解(POD)分析等方法,重点研究了分级比对燃烧不稳定性的影响。实验表明:预燃级燃料比例,对火焰的稳焰机制、热释放分布以及火焰的稳定性有至关重要的作用。随着分级比的提高,火焰由不稳定的脱体火焰或者蘑菇形火焰,变成稳定而紧凑的Ⅴ形火焰,火焰的热释放中心向喷嘴方向前移。POD分析表明,分级比较大时,预燃级火焰通过改善火焰根部的稳焰特性,进而削弱了火焰面周期性的膨胀和收缩,最终抑制了燃烧不稳定性。     

带空气雾化喷嘴的燃烧室压力对烟粒浓度及火焰辐射的影响

在一个小型高压燃烧试验台上研究了燃烧室采用空气雾化喷嘴后,燃烧室压力对燃烧室内烟粒浓度和火焰辐射的影响。实验的主要参数 :来流空气压力为 1～ 2 MPa,温度为室温;燃烧室总余气系数为 8.0,工作压力为 0.3～ 0.88MPa。实验结果表明 :主燃区烟粒浓度和火焰辐射随压力增加呈急剧增加的趋势,但其增加的速率是随空气雾化喷嘴的吹气压力的增加而下降;在不同压力下,火焰总辐射沿火焰筒轴向长度呈明显减少的趋势,但在较高压力情况下 (如 pc≥ 0.5 MPa )主要由大量烟粒被氧化消失引起的,而在较低压力情况下(如 pc≤ 0.3 MPa )则主要是由气体辐射的减少造成的。     

超声速气流中煤油喷雾的热射流强迫点火

在来流马赫数为2、总温为840K的双模态超燃冲压发动机扩张型燃烧室的冷起动工况条件下,对凹腔上游的煤油横向射流喷雾的热射流强迫点火过程进行了试验研究.采用高速相机拍摄了点火过程中的煤油喷雾阴影和自发光火焰的动态发展图像,对比分析了热射流喷射位置和喷射方向对点火试验结果及其凹腔驻留火焰形成的影响.试验结果表明:热射流点火主要以凹腔下游热射流与煤油喷雾的掺混燃烧为主要特征;远场的火焰逆流传播形成凹腔驻留火焰是热射流实现成功点火的主要机制.      

基于先锋氢点火和双凹腔火焰稳定的煤油超声速燃烧特性

采用先锋氢火焰点火方式和串联双凹腔火焰稳定机制,开展了模拟飞行马赫数4.0纯净空气条件下液态煤油燃料超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的试验研究。典型的燃烧室进口来流状态为马赫数2.0,总温约815K,总压700～800kPa。试验中上游凹腔采用喷油/点火一体化设计并几何结构保持恒定,分别研究了下游凹腔深度10mm,12.5mm和15mm时对煤油超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的影响;此外,通过串联双凹腔沿轴向后移及间距拉大,研究了其对煤油超声速燃烧特性的影响。试验结果表明:(1)采用先锋氢辅以火花塞点火方式可以可靠实现煤油燃料超声速点火,并最终实现自持稳定燃烧。(2)下游凹腔起到了很好的火焰稳定器作用,增大凹腔深度可以有效地增强火焰稳定性能,同时扩展火焰稳定的油气比范围。(3)双凹腔后移使得主燃烧区向下游移动,在相同油气比条件下有效缓解燃烧诱导压升对上游隔离段的扰动。     

超声速燃烧凹腔质量交换特性的混合RANS/LES模拟

对超声速冷流及燃烧流条件下超燃冲压发动机火焰稳定凹腔的质量交换特性进行了研究.采用混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large-eddy simulation)方法对非定常流场进行数值模拟,系统研究了凹腔结构参数和横向喷流燃烧放热对凹腔质量交换特性的影响.首次采用"原子追踪法"对化学反应流条件下的凹腔质量交换过程进行了刻画.结果表明:在冷流条件和燃烧流条件下,凹腔驻留时间均随长深比的增大而增加;凹腔后缘倾角对驻留时间的影响在冷流条件下比较显著,而在燃烧流条件下明显减弱;相同结构的凹腔,在燃烧流条件下的驻留时间相对于冷流条件明显减小.      

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.      

固体燃料冲压发动机中的温度和浓度测量

在采用直接加热器预热来流空气的固体燃料冲压发动机燃料室中进行了固体燃料燃烧的研究.燃料是聚丁烯(PE)和HTPB(以PE为主).利用H_2和O_2的燃烧预热空气.为较好地弄清燃烧过程,采用热电偶和燃气色谱技术,测出整个燃烧室的温度和浓度分布.在燃烧室的轴向和径向位置上进行测量,其中包括火焰稳定器的回流区和补燃室中的测量.研究了不同混合比、进气温度和流量的影响,讨论了火焰位置、湍流混合和燃烧效率等问题.     

不同速度波动下氢含量变化对氢气-甲烷钝体火焰燃烧不稳定性的影响

针对燃气轮机贫燃预混条件下容易产生燃烧不稳定问题,探究了不同氢含量对氢气-甲烷混合气钝体火焰燃烧不稳定性的影响,用于获得燃烧不稳定性的控制方法.通过像增强相机(ICCD)、光电倍增管(PMT)、卡塞格林定点采集等装置获得火焰图像,并借助火焰传递函数描述火焰对声场的响应特性.由此得到了不同速度波动A下氢气含量变化(0％,...     

驻涡火焰稳定器冷态流场特性的初步研究

1995年由美国代顿(Dayton)大学Hsu教授等提出的用驻涡稳定火焰是一种新型、高效、适应高性能发动机发展的火焰稳定技术。研究在借鉴国外研究成果的基础上,采用数值和实验两种手段开展了驻涡火焰稳定器流场特性,包括驻涡和压力特性的研究。研究结果表明:在本研究范围内(Da/Df=0.5～0.8)的每一个Da/Df,都对应于一个最佳的H/Df(0.2～2.0),空腔中的驻涡稳定,符合火焰稳定和燃料引入的要求,压力损失也最小。研究成果初步确定了驻涡火焰稳定器的基本结构参数,为开展热态研究打下基础。     

气体燃料气动火焰稳定器混合特性的初步研究

为了克服航空发动机加力燃烧室传统钝体火焰稳定器存在的流阻较大、燃烧效率较低和红外辐射偏大的缺点,设计了一种气体燃料气动火焰稳定器,通过喷射气体燃料射流形成气动屏障来产生回流区从而稳定火焰,并采用数值模拟计算和实验测试的方法研究了气体燃料火焰稳定器的混合特性。数值模拟计算表明气动火焰稳定器掺混速度快,可在回流区内形成余气系数比较均匀的混合物,且回流区内余气系数分布随来流和射流的参数变化基本保持恒定不变,实验结果证实了数值模拟的结果,并表明采用气动火焰稳定器的燃烧效率较高,部分工况可达98%以上,可为加力燃烧室火焰稳定器的研究和设计提供参考和依据。