高超声速脉冲风洞中带燃料的超燃冲压发动机模型试验

给出了在ITAM最近投入使用的高超声速脉冲绝热压缩风洞AT-303中进行超燃冲压发动机模型实验的结果.实验马赫数M∞≈8,运行时间τ=50~60 ms,雷诺数范围Re1∞=2.7×106~4.0×107,模型表面的边界层自然转捩.在实验中,模型中有燃料供给:把气态氢以超过化学量比率的空气燃料因子注入到燃烧室.提供了足以发生氢燃料自点燃的流动条件.测量了沿进气道楔型压缩面和整个发动机通道上的纵向压力和热流分布.所获数据与同一模型在热射流风洞IT-302M(实验马赫数M∞≈6,8,运行时间τ=100~120 ms,雷诺数范围Re1∞=(1.3~1.8)×106,进气道压缩面和侧压缩面进行了边界层转捩).结果表明:实验模型发动机在两座风洞中进行实验所获得的流态类型相同.发动机刚刚启动时,在进气道入口及其下游的发动机通道内形成超声速流.注入氢后,首先在燃烧室内形成平均流速是超声速的燃烧流动.之后,在燃烧室出口出现热拥塞现象、在进气道扩压段产生伪激波流态.在两座风洞中进行了进气道和发动机通道的流动特征试验,获得了令人满意的结果.     

环形流道流体阻力特性实验研究

针对环形流道下流体阻力特性较圆管阻力特性存在差异,对不同尺寸间隙的环形流道流体阻力特性进行了实验研究.依据圆管流体流动特性原理,推导出摩擦阻力计算公式,采集实验数据、计算实验结果,并对实验结果进行比较、分析.结果表明,环形通道流动特性与流道间隙大小有关,认为间隙为2.5mm是环形通道流动特性的临界点.研究发现,间隙尺寸大于2.5mm时摩擦阻力系数与理论计算相符,流态转捩雷诺数与常规尺寸基本吻合;间隙小于2.5mm为窄环形通道,窄环形流道流体阻力系数随间隙的减小而减小,流道流体流态转捩点明显提前,并且间隙值越小流态转捩雷诺数越小.     

高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究

为了测量超燃冲压发动机燃烧室的热环境,从Gardon热流计原理出发,发展了一套水冷热流/壁温一体化测量技术.采用热阻分析方法,对传感器的热结构进行了分析与优化设计.测试了多种隔热与外壳材料对传感器响应特性的影响.通过辐射加热方式对传感器进行了标定,获得了热流/电压、壁温/热流的标定曲线.采用该传感器,在模拟马赫数6、总温1800K的来流条件下,对超声速燃烧室的热环境进行了初步测量,获得了与传热分析相一致的结果.     

一种研究双燃式(超燃)冲压发动机进气道和燃烧室冷态内流场的实验方法

采用一种研究双燃式（超燃）冲压发动机进气道和燃烧室冷态内流场的实验方法：将进气道内流场的起始截面直接与型面喷管的出口截面相连,即将进气道和燃烧室的实验模型当作风洞的试验段,观察流场和波系的变化,并采用该方法进行了实验研究。内流场的压力测量和光学流场显示结果表明,在文中所示实验状态下风洞能启动,超燃冲压发动机模型处于双燃式所要求的冷态工作状态,即燃烧室外涵道为超声速流动,燃烧室内涵道（亚燃室）为亚声速流动。     

氢燃料双模态冲压模型发动机M6的试验研究

笔者研究了一个有突扩台阶的氢燃料高超声速冲压发动机模型的气体动力学特性和推力特性。氢气从位于燃烧室突扩台阶后的支板逆来流喷注,测量了氢气燃烧状态下模型发动机壁面的压力分布和推力收益数据。实验结果表明,在氢气的当量油气比为0.35～0.8的范围,在本模型流道构型条件下,氢气自燃,并随当量油气比的增加,燃烧室内压力增加,获得的推力收益增大,最大推力收益达到500N。实验在CARDC的脉冲燃烧风洞中进行,实验马赫数为6,总温1850K,总压5.5MPa。     

超燃冲压发动机电弧加热器试验流场调试

利用电弧加热器提供超燃冲压发动机地面模拟试验的纯空气流场,需要在前电极与喷管之间由冷气混合室加入冷气以降低电弧加热气体的焓值;为了较为准确地获得流场的总温参数,采用了总温探针对流场总温900-1600K进行了校测,总温的测量值与计算的焓值、流量匹配法计算的总温进行了对比,结果表明：总温越高,测量值与计算值相差越大,在名义总温1600K时达到了450K,笔者分析了产生的原因。     

双燃式(超燃)冲压发动机中激波与边界层之间相互作用对内部流动的影响

在激波风洞中研究了激波与边界层之间相互作用对双燃式（超燃）冲压发动机进气道和燃烧室冷态内部流场的影响,实验发现在进气道中,激波与边界层之间的相互作用产生了两侧均为超声速流的滑移面。实验结果表明内涵道（亚燃室）中流动状态的变化与激波－边界层之间相互作用密切相关。     

高超声速风洞来流扰动测量及数据后处理技术研究

来流扰动对高超声速风洞中开展的实验研究,如层/湍流边界层的不稳定性与转捩实验,有直接影响。为加深对高超声速风洞中边界层转捩实验的认识,需对高超声速风洞的来流扰动进行定性与定量的测量与分析。提出一种高超声速风洞扰动模态校测方法,使用热线风速仪和皮托管压力探头对高超声速风洞自由来流进行测量。在小扰动假设前提下通过模态离解分析,并结合直接数值模拟结果,获得风洞自由来流各扰动模态的幅值。运用德国不伦瑞克工业大学马赫数6 Ludwieg式高超声速风洞对该方法进行检验。实验结果显示:该风洞为典型噪声风洞,其来流扰动中声波模态高达扰动总模态的69%,涡波模态和熵波模态约各占15%。该扰动模态校测方法为高超声速风洞的流场扰动测量提供了一个思路,为基于高超声速风洞开展的实验提供了借鉴和参考。     

纯净空气来流下的超声速燃烧实验装置及其初步实验结果

采用电阻加热的连续式实验设备,在燃烧室进口气流为高温纯净空气、马赫数Ma=2、总温Tt=1000K,总压Pt=0.8MPa条件下,进行了不同当量油气比的氢和乙烯燃料的超声速燃烧室直连式实验.采用从壁面垂直于主流喷射燃料和以氢作为先锋火焰,实现了乙烯燃料的可靠点火和稳定燃烧.实验测量了燃烧室的壁面压力、空气流量、燃料喷射压力、喷管进口总温等参数,并拍摄了燃烧室出口火焰.本文实验采用的电阻加热设备具有实验介质无污染、稳定运行时间长、工作性能稳定、成本低、操作简单等优点,其主要部件电阻加热器出口的最高温度可达600~1000K,对应的流量为1.5~0.73kg/s、加热器功率为750KW.     

SOFC多孔电极有效导热系数的实验和模型研究

固体氧化物燃料电池（SOFC）内部流动传热和化学反应复杂,容易产生热不平衡区。获取高精度的多孔电极有效导热系数对于建立多物理场耦合数值分析模型和电池热管理具有重要的意义。基于稳态法设计并搭建了多孔材料有效导热系统实验平台和测量系统,在372.1~932.4 K温度范围内详细测量了多孔电极实验样件温度分布,通过多孔材料内传热理论分析,基于现有EMT和ME1数学模型,利用比例因子t构造了温度修正的SOFC多孔电极综合有效导热系数的计算模型。同时通过对比孔隙率为0.2349~0.4178的3个实验样件表面温度的计算值和实验测量值,验证了该有效导热系数模型的有效性和高精度。     

导管内塞式量热计热流测量实验及数值模拟研究

对电弧风洞中超声速湍流导管内塞式量热计进行改进,采用测热端与校测件线接触的量热计和测热塞块边缘与校测件有0.4mm 缝隙的量热计。与传统的塞式量热计热流测量值进行对比,实验结果表明,在低压、低冷壁热流条件下3个量热计输出特性较接近;而随着压力、冷壁热流的增加,线接触量热计测量值略有降低,而测热端与校测件有缝隙的量热计测量值大幅增加。最后,通过数值研究了缝隙内的流动对热流测量的影响,同时,模拟了其它来流条件不变时来流马赫数对缝隙内流动的影响。     

迎角变化引起的高超声速进气道起动迟滞现象试验研究

高超声速进气道在起动过程中存在迟滞现象,起动迟滞对发动机的工作范围有重要影响。以一种Bump/前体一体化进气道为研究对象,通过试验和数值仿真结合的方法,研究迎角变化引起的进气道起动迟滞现象。试验在国防科技大学LF-220自由射流风洞中进行,来流条件Ma=5.0,采用蓄热式加热器对上游气流进行加热,稳定段总压1.59MPa,试验段静温91.67K。试验模型由底座、进气道前体前锥、进气道前体后锥和唇罩4部分组成,模型总长度285mm。采用PSI压力传感器对模型壁面压力进行测量,采样频率为100Hz。试验成功捕捉到进气道随迎角变化由不起动转化为起动的动态过程。研究表明,高超声速进气道随迎角变化存在明显的迟滞现象。试验获得进气道自起动迎角为-1.3°,而进气道自不起动迎角大于10°。在进气道自起动/自不起动过程的研究中发现,随着进气道流动状态的不同,迎角和大尺度分离区交替主导流量变化。     

微小尺度通道内超临界甲烷传热特性研究

研究微小尺度通道内超临界甲烷的传热特性对于碳氢燃料预冷器精细化设计具有重要意义。本文利用实验方法探究了热流密度、质量流量以及系统压力等边界条件对微细圆管内超临界甲烷传热特性的影响规律,并结合数值方法分析了跨临界传热强化的主要原因。结果表明:在实验工况范围内,当超临界甲烷温度接近拟临界温度时均产生了不同程度的传热强化现象,且质量流量和系统压力变化对换热系数峰值的影响更大。传热强化产生的原因主要有两点,一是在拟临界点附近较大的径向密度梯度导致了浮升力的产生,进而在浮升力和重力的共同作用下生成二次流,增强了流体掺混;二是此处的超临界甲烷定压比热急剧增加,增强了自身的载热能力。最终,根据实验结果提出了适用于微细圆管内超临界甲烷对流换热预测的经验关联式,以期为碳氢燃料预冷器精细化设计提供模型依据。     

曲外锥乘波前体进气道低马赫数段实验研究

为了研究新型一体化曲外锥乘波前体进气道在低马赫数端的自起动、抗反压特性及侧滑对性能的影响,基于几何约束及钝度修型的实用化风洞实验模型,采用进气道节流系统,在来流马赫数3.0、3.5和4.0,迎角-4°~6°范围内,不同堵锥位置状态下获得了一体化曲外锥乘波前体进气道的表面压力分布及流场高清纹影。实验结果表明,实验模型在来流马赫数3.5和4.0时具备自起动能力;在0°迎角,来流马赫数3.5和4.0,最大抗反压能力分别约为24和33倍来流压力;侧滑角对一体化曲外锥乘波前体进气道的流量捕获和流动压缩性能影响相对较弱。曲外锥乘波前体进气道具有同超燃冲压燃烧室、高超声速飞行器进行一体化设计的特性。     

高超声速飞行器前体/冲压发动机一体化气动热实验研究

以超燃冲压发动机为动力的飞行器,由于飞行速度的增加,气动加热增强,而且在高马赫数范围内,冲压发动机燃烧室的滞止温度也是很高的.通过风洞实验,采用铂膜电阻温度计热流测量技术,开展了来流马赫数6.4和马赫数4.0两种状态下的热流分布规律研究,给出了前体、中支板及内通道的热流实验结果,研究了边界层流动状态、边界层抽吸、激波反射对热流分布的影响.实验结果表明,边界层流动状态对热流分布产生显著的影响,前体湍流热流值约为层流热流值的3.3倍;边界层抽吸会引起热流率增加;激波反射和激波加热对热流分布影响显著,马赫数越大激波加热越强.     

固体火箭发动机喷流噪声测量及声场分析

为了研究分析固体火箭发动机喷流噪声特性及其声场分布规律,设计实验发动机,采用LMS数据采集系统及噪声处理软件通过传感器对固体火箭发动机喷流噪声进行实验采集和测量分析.实验结果表明:同一测量位置处,随着推进剂燃温的降低,噪声峰值降低;随着燃烧室压力及喷管出口马赫数的增高,噪声峰值升高;该实验工况下,发动机喷流噪声声压级分布在120~140dB,峰值频率4500~5000Hz.实验结果对固体火箭发动机喷流噪声场的预测提供了实验依据.     

旋转爆轰发动机燃烧室的燃烧与流动特性研究

设计了一台爆轰环腔外径100mm、内径80mm、长117 mm的不带有尾喷管的旋转爆轰发动机燃烧室,并进行了实验和数值模拟研究,来了解不同当量比下的燃烧和流动特性。在该燃烧室头部,空气通过60个直径2mm孔轴向喷射,氢气通过2mm宽环缝喷射。氢气和空气最大供给总压分别可达12和10.5MPa。实验发现,当量比大于2时,燃烧发生在燃烧室以外,为爆燃;当量比接近于1时,燃烧室内存在多个反向旋转爆轰波,爆轰波平均速度较低,不超过1000m/s;当量比小于0.58时,仅有一个爆轰波准稳态旋转。在当量比为0.55时,旋转爆轰波传播速度为1274m/s。在当量比为1时,进行了17s无热防护的旋转爆轰发动机实验,未发现燃烧室有明显烧蚀。数值模拟表明在流量为400g/s时,有3个爆轰波同向旋转,外壁面侧传播速度约为1998m/s。     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机(PDE),在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明:喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3.5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0.9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

螺旋式脉冲爆震发动机实验研究

目前以碳氢燃料与空气可爆混合物的直管爆震室存在较长的爆燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称“DDT”)距离,从而导致发动机整机长度过长等问题.为解决此问题,采用8种螺旋构型的爆震管替代现有国内外普遍研究的直管构型的爆震管进行了一系列实验.首先对不同螺旋结构的爆震管进行冷态流阻特性实验,得出了螺旋结构参数和流阻的关系;再结合冷态实验结果,选取4种螺旋结构进行了热态爆震实验.实验结果表明,所有螺旋结构均可获得充分发展的爆震波;螺旋爆震管缓燃向爆震转变时间随螺旋中轴线曲率半径增加而减小;相对于长2.0m的直管爆震管,螺旋爆震管DDT时间缩短了0.415~0.589ms,DDT距离沿螺旋线方向缩短了0.35m,爆震管轴向长度缩短了0.78~1.28m.     

类多孔结构超轻高效换热器流动传热特性研究

针对航空发动机热管理系统的需求,提出了一种基于3D打印技术的正八面体类多孔结构换热器,并对其内部的流动传热问题开展研究。通过研究发现,正八面体类多孔结构可以有效提高换热器的效能。但随着结构系数C_e的减小,管外流阻会急速增加。当C_e减小到10后,管外阻力系数增大到光管的18.2倍。为此,本文开展了换热器内部的结构优化,在提高内部换热的情况下,尽可能减小换热器管外空气侧流阻,使得换热阻力综合系数ψ值达到最优。