空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究进展

在混流燃烧室内组织富燃燃气与空气的高效稳定掺混燃烧对于空气涡轮火箭发动机（ATR）性能至关重要。回顾了国外各研究机构关于ATR掺混燃烧方案的试验研究,对波瓣混流器在航空领域强化内、外涵气流掺混中的典型应用及研究成果进行总结评述,总结并提出ATR掺混燃烧的特点和关键问题,分析了后续掺混燃烧研究中需重点关注的问题。     

气氧／甲烷同轴剪切喷注器燃烧特性数值模拟

对以气氧／甲烷为推进剂的同轴剪切喷注器进行了数值模拟,研究了喷注器设计参数对推进剂掺混燃烧、燃烧室壁面和喷注面板热载的影响。研究结果表明：氧喷注速度增大不利于推进剂的掺混燃烧,降低了燃烧效率,增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载：动量比增大提高了推进剂的燃烧效率,缩短了燃烧距离,但增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载;中心氧喷嘴管壁厚和氧喷嘴管的缩进,对燃烧效率有影响,但两者对燃烧室壁面和喷注面板热载影响不明显;对燃烧效率而言,特定情况下氧喷嘴缩进存在一最佳值。     

乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合数值优化

为探索带交错尾部支板的超燃燃烧室流场特性,运用有限体积法对乙烯喷注当量比0.6的燃烧室进行了数值模拟。对比喷孔不同布置方式,支板尾部交错结构不同数目、不同翘角对混合效率、总压损失的影响。研究发现,喷孔数目越多,对燃料与空气充分混合越有利,但过多喷孔会降低穿透深度,且导致可燃混合区重叠,不利于掺混增强;交错结构数目越多,产生的流向涡涡量强度越大,但远场混合效率并不理想,当支板交错结构数目等于4时,在凹腔附近能取得较大掺混效率;在一定范围内,支板翘角越大,掺混效果越好,交错结构掠形尾部也有利于掺混增强,但均会导致更大的总压损失。     

空气涡轮火箭发动机内外涵气流掺混研究

通过无化学反应、均匀进气条件下肼单组元空气涡轮火箭发动机混流燃烧室内流场的数值计算,得到了流向涡与正交涡系产生、衰减演变过程及其对内外涵气流掺混效率的影响规律。结果表明,大尺度阵列二次环流诱导形成的流向涡对内外涵气流掺混起主导作用,大波瓣穿透率的斜切波瓣混流器的综合性能较优。结合热试车结果,分析了包括波瓣混流器在内的两类掺混方案的强化掺混效率。分析表明,非均匀进气条件对小尺寸空气涡轮火箭发动机掺混燃烧效率影响很大。     

固体火箭超燃冲压发动机补燃室构型的影响分析

针对不同补燃室结构参数对固体火箭超燃冲压发动机补燃室掺混燃烧性能的影响进行研究,分析各级燃烧室的长度与扩张角度对补燃室性能的影响。采用基于密度的二阶迎风格式对补燃室掺混燃烧进行模拟,湍流模型和燃烧模型分别采用SST k-ω模型和涡团耗散模型。结果表明,提高燃烧效率与降低总压损失是相互矛盾的;燃烧效率随燃烧室长度的增加而增大,随燃烧室扩张角度的增加而减小;总压恢复系数随燃烧室长度的增加而减小,随燃烧室扩张角度的增加而增大;一级燃烧室的结构参数对燃烧效率与总压恢复系数的影响最大。当补燃室的总长与出口面积一定时,以发动机的总体性能参数作为补燃室构型的优化目标,对一、二级燃烧室长度与一、三级燃烧室扩张角度进行优化。     

圆形燃烧室支板火箭超燃冲压发动机数值模拟

为了提高大尺寸超燃冲压发动机的掺混燃烧和火焰稳定能力,提出了以中心主支板和支板火箭进行点火和火焰稳定的超燃冲压发动机基本结构,采用轴对称的圆形燃烧室以及小支板和凹腔等混合增强方式,通过包含多步简化动力学的数值模拟方法,研究了支板、凹腔结构与圆形燃烧室的不同匹配关系.结果表明,隔离段中心主支板能有效提高燃料与空气的掺混度...     

TSPR涡轮增压器出口方式对掺混燃烧的影响

针对涡轮增压器出口气流进入涡轮增压固冲发动机(Turbocharged Solid Propellant Ramjet,TSPR)补燃室后,因同轴流动而造成掺混燃烧效率不高的问题,通过对比研究ATR(Air Turbocharged Ramjet)及固冲发动机掺混燃烧增强手段,形成了一种可有效增强TSPR补燃室掺混燃烧效果的方案。继而通过数值模拟的手段对该方案的有效性和内在机理进行了讨论。最后通过TSPR工作模式的数值模拟,发现在不同富燃燃气余气系数状态下补燃室效率均能保持90%以上,验证了该方案的有效性和适用性。根据这些研究,该文认为保留驱涡燃气高速旋流配合增压空气采用一定射流角度进入燃烧室的出口流动方式能够使TSPR补燃室有效工作,燃烧效率相对原有ATR模式能够提高1倍以上;其中涡轮的旋转速度高于40 000 rpm时,经过涡轮膨胀做功的驱涡燃气使发动机比冲和补燃室温度分布情况都比较理想;增压空气采用40°~50°的射流角进行斜向射流对发动机比冲性能提高和补燃室内温度分布改善是比较有利的。     

基于混合燃料的旋转爆震发动机燃烧室冷态流场研究

为研究基于混合气体燃料的旋转爆震发动机燃烧室内流场特性,对混合气体燃料(H2+C2H4+C2H2)与空气在燃烧室内掺混的冷态流场进行了三维数值仿真研究。根据数值仿真结果,系统地描述了燃烧室内混合气体的流动特性,对比分析了不同喷注结构(燃料喷注深度、空气喷注环缝宽度)及不同的气体质量流率等因素对三维冷态流场及掺混的影响,并用掺混不均匀度定量评价了混合气体燃料与空气掺混的程度。研究结果表明,在文中给定的计算参数条件下,随着空气环缝宽度的增大,掺混效果能够得到一定提升;随着燃料喷注深度的增大,掺混效果有所下降;随着空气及燃料的质量流率的增大,燃烧室头部掺混效果略有下降,在中部掺混效果得到提升。     

喷管尺寸对电弧风洞流场和热环境的影响分析

为获得电弧风洞喷管尺寸对试验流场以及模型表面热流的影响规律,针对某特定模拟参数试验状态,采用高焓流动数值模拟方法对不同尺寸锥形喷管下的球柱校核模型试验流场进行了模拟和比较分析。研究发现,在模拟气流焓值和模型驻点热流的条件下,采用出口尺寸小的喷管所需电弧加热功率更低,同时单位流向截面上气流能量转化为模型驻点气动热的比例更低。不同喷管出口尺寸下,试验流场喷管出口区域热力学非平衡程度、波后氧原子质量分数、模型驻点区域压力以及表面传导热流和扩散热流占比都比较接近,但相较飞行状态存在明显差异;不同喷管出口尺寸下来流速度、激波脱体距离以及驻点线上平动温度之间的差异明显,喷管出口尺寸越大,其与飞行状态越接近。     

喷嘴入射方式对气体-液滴群掺混的影响

通过数值模拟的方法从冷态方面研究了金属/水反应冲压发动机二次掺混室内横流气体和通过压力旋流喷嘴雾化的液滴群的掺混情况.提出了掺混度、不均匀浓度因子和等浓度线这3种特征量作为评价指标,分析了不同喷嘴入射角度情况下,液滴群对横向交叉气流的影响以及气流对液滴群掺混的作用.结果表明,液滴群的加入使气流中产生了尺度不同的涡,促进了湍流;喷嘴附近的掺混初始阶段,大涡作用使液滴分布很不均匀,喷嘴下游,涡的尺度减小,对液滴的扩散影响减弱,但初始的喷雾形态和液滴趋向高应变和低涡量区域造成了壁面处液滴浓度仍然高于其他区域;喷嘴垂直无偏入射的掺混优于轴向或切向入射;轴向向上游偏转入射优于向下游偏转入射;切向偏转角度越大,越不利于掺混.     

Two-phase flow effect on hybrid rocket combustion

This study numerically explores the aerodynamic and combustion processes in a hybrid rocket combustor, under a two-phase turbulent flow environment, considering the evaporation, combustion and drag of droplet and droplet ignition criterion. The predictions of temperature, reaction mode, reactant mass fraction, velocity, oxidizer consumption, fuel regression and droplet number distribution enhance understanding of the two-phase combustion aerodynamics inside the combustor. A parametric study of the inlet spray pattern, including spray cone angle, spray injection velocity and droplet size, is performed to improve the operation of reactant mixing and higher fuel regression rate. Analytical results indicate that both the oxidizer consumption and the fuel regression increase with increasing spray cone angle and spray injection velocity in the practical range of operation. However, for stoichiometric operation, the superior spray cone angle is within 20–60°, and spray injection velocity within 20–40 m/s, under a volume-mean droplet radius of 50 μm. The power dependence of solid-fuel regression on total mass flux is found to decrease with rising of droplet mean size.     

某型冲压燃烧室火焰稳定器布局数值优化研究

为了研究不同火焰稳定器布局对燃烧室流场特征和燃烧性能的影响,对某型亚燃冲压发动机燃烧室的三维湍流燃烧流场进行了数值模拟。文中采用守恒标量的PDF模型处理扩散燃烧问题,喷雾采用离散相模型,在全流场中用拉格朗日方法跟踪离散液滴的运动和输运。计算结果表明,内外圈稳定器轴向间距取1倍槽宽时出口温度分布最均匀,取2倍槽宽时温升效率最高;等槽负荷原则设计具有最优的出口温度均匀性、温升效率和流阻系数。计算结果定性合理,可用于预估不同条件下的燃烧室性能,用于燃烧室优化设计,指导燃烧试验。     

气氢/液氧同轴喷注单元细节对燃烧特性的影响

为了研究气氢/液氧同轴直流式喷嘴的结构参数细节对燃烧特性的影响,对单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟.重点研究了氧喷嘴缩进深度、氧喷嘴出口壁厚和氢氧喷注速度比3个参数对燃烧效率和稳定性的影响规律.研究表明：上述喷嘴结构参数细节是影响气氢/液氧同轴直流式喷嘴燃烧特性的重要因素,其中适当提高氧喷嘴缩进深度或氢氧喷注速度比对燃烧效率有显著改善,而适当提高氧喷嘴出口壁厚对燃烧稳定性有显著改善.     

Recent Advances in the Theoretical and Applied Study on Compressible Turbulent Flow over Aerospace Vehicles

This paper focused on the fundamental and applied research of turbulent flows encountered in the hypersonic flight of aerospace vehicles,which take place in the boundary layer and mixing layer.As to the plate boundary layer,LES approach has been used to simulate the flows over compression corners and incident shock waves,revealing that turbulent flows would significantly inhibit the boundary layer separation caused by shock wave-boundary layer interaction(SWBLI).The boundary layer transition over a circular cone has been analyzed through stability analysis and wind-tunnel test,by which the angle-of-attack effect in case of small angle of attack has been studied.Non-linear evolution process and secondary instability structure in the supersonic mixing layer(Mc=0.5) were initially figured out through the study of mixing layer,and knowledge of the flow control mechanism of the boundary layer and mixing enhancement mechanism of the mixing layer has been obtained through this research.Artificial boundary-layer transition technique based on subharmonic resonance has been proposed and applied to the flow control in a scramjet inlet,inhibiting the flow separation of the boundary layer while improving the inlet performance.To guarantee the mixing of kerosene and supersonic airflow in the scramjet combustor,the mixing enhancement method based on subharmonic resonance has been adopted and a concept of combustor with smooth wall and low internal drag has been proposed for ignition and stable combustion.Finally,future turbulence research and technological development of aerospace vehicles is predicted.     

旋流器结构参数对燃烧室出口温度分布的影响

采用数值模拟方法研究旋流器的结构参数对中心分级高温升燃烧室出口温度分布性能的影响,结构参数主要是叶片安装的角度和叶片的旋向组合多种方案,再对这些组合方案进行比较,从而选出最优结构。数值计算结果表明:旋流器结构参数对燃烧室出口特性有很大的影响,设计合理的旋流器结构参数对提高燃烧室性能很重要。选取最优的角度组合,第1级为45°,第2级与主燃级为60°;第1级与第2级旋向反向,并且第2级与主燃级旋向一致。     

Numerical validation and parametric investigation on the cold flow field of a typical cavity-based scramjet combustor

The three-dimensional coupled implicit Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and the two equation standard k–ε turbulence model has been employed to numerically simulate the cold flow field in a typical cavity-based scramjet combustor. The numerical results show reasonable agreement with the schlieren photograph and the pressure distribution available in the open literature. The pressure distribution after the first pressure rise is under-predicted. There are five shock waves existing in the cold flow field of the referenced combustor. The first and second pressure rises on the upper wall of the combustor are predicted accurately with the medium grid. The other three shock waves occur in the core flow of the combustor. The location of the pressure rise due to these three shock waves could not be predicted accurately due to the presence of recirculation zone downstream of the small step. Further, the effect of length-to-depth ratio of the cavity and the back pressure on the wave structure in the combustor has been investigated. The obtained results show that there is an optimal length-to-depth ratio for the cavity to restrict the movement of the shock wave train in the flow field of the scramjet combustor. The low velocity region in the cavity affects the downstream flow field for low back pressure. The intensity of the shock wave generated at the exit of the isolator depends on the back pressure at the exit of the combustor and this in turn affects the pressure distribution on the upper wall of the combustor.     

单喷嘴燃烧流场仿真研究

运用CFD技术,采用涡扩散（EDC,eddy dissipation concept）模型对某发动机单喷嘴燃烧的稳态燃烧流场进行了数值模拟,得到了燃烧室内的压力、速度、温度及燃气组分等参数的分布情况,并对其混合程度进行了评估。结构改进前后的计算结果对比表明,适当增加中心喷嘴的壁厚和缩进长度有利于燃烧室火焰的附着和提高燃烧室流场的均匀程度。     

SMC模式下RBCC发动机4Ma工况性能仿真

为研究SMC模式下火箭混合比对RBCC发动机性能的影响规律,完成了氢/氧火箭推力室中心布局、二元定几何结构模型发动机飞行马赫数Ma0=4、高度H=17 km弹道点流场仿真,获得了不同火箭混合比(MR=2、3、4、5、6、8)及燃烧室长度的推力、比冲性能.研究表明:在火箭燃气富燃条件下(MR<8),产生了正的火箭推力增益...     

液体亚燃燃烧室点火装置工作特性数值研究

基于气体动力学和计算流体力学的相关理论,采用CFD-ACE＋流场计算软件,对液体亚燃燃烧室点火装置单独工作时的稳态流场进行了数值模拟.在试验验证的基础上分析了点火器室压、点火导管内径和导管的结构形式对火焰点火性能的影响.结果表明：当点火器室温和燃气流量恒定时,若保持管道的扩张比不变,选用较低室压的点火器更利于点火;在一定范围内增大导管内径可以提高火焰的点火性能;燃气在直管内的流动损失较小,出口射流的速度较高,穿透深度较大,带弯头的点火导管出口火焰特征类似,有无弯头对火焰的影响很大,而角度差异产生的影响很小.     

RBCC燃烧室超声速反应混合层特性的大涡模拟

以飞行马赫数为4.5Ma的RBCC发动机典型工作状态为研究背景,采用大涡模拟研究了支板火箭射流和空气来流形成的超声速反应混合层的掺混燃烧过程,获得了燃烧室内详细的流场结构和流动特征,分析了强射流条件下超声速反应混合层的特性。结果表明由于速度梯度的存在,火箭射流进入燃烧室后与空气来流形成环形剪切层,剪切层内丰富的旋涡结构主导火箭射流和空气来流的掺混燃烧,随着湍流能量的串级输运,化学反应过程中释放的能量将被转化成细观尺度的湍流动能,大尺度旋涡将能量传递给小尺度旋涡并最终耗散,细小尺度的旋涡一方面能够促进燃烧反应物的掺混并强化燃烧过程,另一方面会给化学反应过程带来强烈的脉动,使得局部火焰淬灭,火焰结构表现出明显的非定常性。