RBCC直扩燃烧室煤油喷雾燃烧火焰稳定与放热规律的数值模拟

扩张构型燃烧室的燃烧流动细节与放热规律是RBCC发动机设计中的核心技 术。采用湍流流动的分离涡（DES）计算方法,数值计算了RBCC燃烧室以凹腔作为火焰 稳定器的液态煤油喷雾燃烧三维两相流动。针对逐级扩张的RBCC燃烧室构型,详细研究了不 同来流状态下的喷雾燃烧流动特征以及液态煤油分级喷注的放热规律。研究表明,高来流总 温条件下,凹腔火焰稳定器可起到驻留火焰的作用,在相对较低来流总温条件下,凹腔并非 是实现火焰稳定的充分条件,必须采用其他方式补偿液态燃料蒸发吸热所损失的热量。考虑 到扩张构型的几何通道承受的压力提升范围有限,燃料喷注位置不宜安置在燃烧室上游流场 ;为了实现最大的燃烧效率以及发动机推力,采用前后级辅助喷注的方式是目前可行的解决 措施。     

基于凹腔火焰稳定器的亚燃冲压发动机点火性能研究

通过碳氢燃料亚燃冲压发动机直连式试验,对凹腔火焰稳定器的点火性能进行了初步研究.试验分别在高能火花塞及氰气引导火焰两种情况下成功实现了可靠点火.结果表明,基于凹腔火焰稳定技术的亚燃冲压发动机的点火性能与燃料喷注压降及喷注方式密切相关.在壁面喷注燃料的方式下,发动机容易实现可靠点火,而在中心喷注燃料的情况下,发动机很难被点燃.此外,试验还发现,发动机的喉部尺寸对采用这类结构的哑燃冲压发动机凹腔内的压力影响较小,因此,喉部尺寸的变化对其点火性能的影响也较小.     

凹腔超声速燃烧室氢气燃烧流场数值模拟

对带长深比为10的凹腔结构的燃烧室二维氢燃烧流场进行数值模拟,燃料喷注方式采用凹腔上游喷注加辅加凹腔前壁、底壁、后壁喷注。采用三阶MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程组,湍流模型采用剪切修正的RNGk-ε湍流模型,对喷氢燃烧工况进行了计算研究,并分别分析了凹腔中不同燃料喷注方式对燃烧特性的影响。结果表明：凹腔是火焰驻留的主要区域;凹腔上游喷注氢,可以使燃料在凹腔中混合燃烧,辅加凹腔中喷氢的三种方式对燃烧状况产生一定的影响。在凹腔前壁、底面辅加喷氢,没有增强凹腔的稳焰特性,对整个燃烧状态影响不大;在凹腔后壁喷氢,能够增加凹腔中的燃料含量,加强了回流效果,对燃烧状态影响较大。三种喷注方式都没有从根本上改变凹腔燃烧流场的特性。     

RBCC燃烧室冲压模态数值模拟及试验验证

为了探究煤油燃料火箭基组合循环(RBCC)发动机燃烧室在冲压模态下的燃烧特性,构建了一套仿真计算方法用于预测、分析燃烧室内流动及燃烧过程。以带支板喷注器、单凹腔火焰稳定器RBCC燃烧室为例,开展了冲压模态下的内流场三维数值模拟,计算得到的壁面压力曲线与地面试验及飞行试验结果符合良好。分析燃烧室压力、马赫数、燃气组分等参数可以发现：当前燃烧室结构能够实现冲压模态下液体煤油燃料的稳定、高效燃烧;与冷流相比,压升可达5倍以上;支板能够有效提高煤油燃料的掺混能力;火箭安装台阶下游存在利于燃烧和火焰稳定的回流区;通过调整凹腔、支板等喷注器供油规律,可提高来流氧气的利用率,实现更为充分的燃烧。     

高压氢氧火箭发动机推力室燃烧稳定性分析

针对高压氢氧火箭发动机推力室不设置隔板喷嘴和声腔的结构方案,利用火焰传递函数+低阶声学模型的解耦预测仿真方法,分析了不同喷注参数和结构参数下燃烧室的燃烧稳定性裕度。采用非定常雷诺平均NS方程(URANS)计算同轴直流喷嘴非稳态燃烧过程以获取火焰传递函数,其中采用Soave Redlich Kwong(SRK)状态方程计算密度等物性参数;考虑到同轴直流喷嘴的火焰长度与声波量级相当,采用分布式火焰结构进行火焰传递函数建模。采用商业软件COMSOL计算加载了火焰传递函数的燃烧室声学模态,使用模态增长率为评定标准,预测燃烧不稳定性。结果表明,给定不同燃气/氧喷注速度比、混合比、相对喷嘴压降、缩进深度比、富氢燃气喷前温度等各工况下,预测得到的燃烧室均未出现燃烧不稳定现象。在推力室设计中通过增加燃气/氧喷注速度比或降低燃烧室混合比,有利于提升燃烧稳定性裕度。所做工作为高压氢氧火箭发动机喷注器设计及燃烧稳定性裕度评估提供参考。     

气-气同轴直流式喷注器结构参数对燃烧性能的影响

气—气同轴直流式喷注器广泛应用于全流量补燃循环发动机,喷注器的结构设计在很大程度上影响发动机主推力室的性能。为了探究气—气同轴直流式喷注器的结构参数对燃烧性能的影响,通过数值计算,分析了氧喷嘴直径、燃料喷嘴宽度、燃料喷嘴与氧喷嘴之间的壁厚以及中心氧喷嘴的缩进距离这4方面的结构参数对燃烧效率以及火焰长度的影响。结果 表明...     

基于高速化学发光测量的超声速燃烧室振荡特性统计学分析

为分析超声速燃烧室中的火焰振荡特性,以氢气为燃料,采用高速化学发光测量对两种当量比下凹腔燃烧室中的火焰发光图像进行了采集,时间重复频率为100 kHz.通过对所采集的图像进行统计学分析,包括时均分析、标准差分析、本征正交分解(POD)分析、剪切层火焰面速度振荡分析,研究了凹腔内燃烧振荡的宏观模式及瞬态特性.结果表明,当...     

同轴喷嘴自发激励高频燃烧不稳定性试验研究

为增进对液氧煤油火箭发动机同轴离心喷嘴燃烧不稳定性过程的理解,在大气环境下进行了同轴离心喷嘴的自发激励燃烧不稳定性试验。试验采用单喷嘴敞口模拟燃烧室,高温的氧气和空气混合物从同轴喷嘴的直流喷嘴喷注,高温的煤油蒸气从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注。通过逐步改变氧化剂流量使模拟燃烧室内产生自发激励高频燃烧不稳定性,使用脉动压力传感器和黑白高速相机记录稳定和不稳定燃烧工况下的脉动压力和火焰。研究发现：气气同轴离心喷嘴的自发激励高频燃烧不稳定过程呈现“滞后”现象;不稳定工况下的火焰均为脱口火焰,火焰特征长度约等于喷嘴出口到脱口火焰团上沿的距离;气气同轴离心喷嘴燃烧不稳定性的发生原因可以被认为是因混合特征时间与声学特征时间相关。     

轴对称结构RBCC发动机超燃模态试验和数值模拟

为研究轴对称结构RBCC发动机超燃模态下的点火和燃烧性能,进行了地面直连试验。采用中心支板火箭与小支板组喷注相结合的方式作为点火和火焰稳定方式,并对燃料喷注方案进行了研究。试验与数值模拟结果表明,采用这种点火方式能实现轴对称结构RBCC发动机的可靠点火和稳定燃烧。二次燃料采取多级喷注的方式能充分利用流道中的氧气,实现较充分的燃烧,但应控制燃料喷注比例。双支板组的加入,能促进燃料与中心空气流的充分掺混,提升燃烧效率,获得较优的燃烧性能。     

粉末燃料冲压发动机自维持稳定燃烧试验研究

为了实现粉末燃料冲压发动机的持续稳定工作,采用设计的发动机进行了直连式试验研究.通过试验,验证了粉末燃料供应方式的可行性,获得了燃烧室压强及发动机推力曲线,计算了发动机的燃烧效率.结果表明,利用突扩回流稳定火焰的方法不适用随流性差的金属粉末燃料,钝体火焰稳定器可实现粉末燃料的自维持稳定燃烧,但稳定器周围沉积较多,降低了发动机效率.     

高马赫数飞行条件下超燃冲压发动机燃烧组织方案数值模拟

针对高马赫数飞行条件下(Ma=8,其中燃烧室内流马赫数为3.88)超燃冲压发动机燃烧组织方案的优化问题,采用三维可压缩雷诺平均(RANS)数值模拟方法对采用不同燃料喷射角度和凹腔后倾角的燃烧方案进行了数值模拟研究。结果表明：高马赫数下燃烧主要集中在凹腔和燃烧室近壁区,随着燃料喷射角度的增大,燃烧反应更加剧烈;增大燃料喷射角度和减小凹腔后倾角能提高混合效率,从而提高燃烧效率,燃烧也更充分,但是燃烧引起的总压损失也会相应地提高;高马赫数条件下发动机内流阻力很大,大约是发动机净推力的7～8倍,而增大喷射角度和减小凹腔后倾角有利于提高发动机的推力性能,其中采用135°的逆向燃料喷入方案获得的正推力最大,此时燃烧位置相对靠前,有利于燃烧室设计尺寸的小型化。     

燃烧条件下自燃推进剂的雾场及火焰实验研究

为研究双组元自燃推进剂喷雾燃烧的特点,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内开展了一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)推进剂喷雾燃烧过程可视化实验,采用高速相机直接拍摄并获得了MMH/NTO的火焰自然发光图像,采用高速相机及光源后置消光法拍摄并获得了燃烧条件下MMH/NTO撞击后的雾场图像。通过实验得到了以下结论:燃烧条件下,MMH/NTO液相主要集中在喷注面附近的喷射雾化区,其面积随燃料射流速度增大而增大;MMH/NTO着火点距离喷注面距离及着火过程的火焰传播速度随推进剂喷射速度增加而增大;按自然发光亮度划分,MMH/NTO火焰分为外层火焰、内层火焰及焰心,焰心亮度最高,其面积随燃料喷射速度增加先减小后增大;MMH/NTO反应长度及火焰张角随燃料喷射速度增加而增大,与喷射雾化区随燃料喷射速度的变化趋势一致。     

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...     

乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合的数值研究

以超音速燃烧冲压发动机设计为背景,采用有限体积法,以乙烯为燃料对交错尾部支板和开式凹腔的组合方式及位置进行数值研究。通过组合方式的研究发现,横向组合的凹腔内回流区卷吸作用强于纵向组合;凹腔远离交错尾部支板能促进燃烧火焰扩散,燃烧效率更高,总压损失更小。通过对组合位置的研究,总结出组合位置对燃烧室性能的影响规律,发现凹腔与支板横向组合,凹腔距支板尾缘距离为0.15 m时,总压恢复系数达到最大,燃烧效率也较高。该项研究可为超燃燃烧室设计提供参考。     

超燃冲压发动机燃烧室碳氢燃料的点火和火焰稳定研究

在氢氧加热脉冲风洞上,对超音速燃烧室在进口2Ma、总温960~1 420 K条件下的碳氢燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究。在直连式超音速燃烧室实验中,通过采用火花塞 氢先锋火焰、火花塞 乙烯先锋火焰的方法实现了煤油燃料的点火和火焰稳定。研究结果显示,当采用氢作为先锋火焰时,利用火花塞能够在燃烧室进口总温960 K条件下实现煤油的点火和火焰稳定;当采用乙烯作为先锋火焰时,利用火花塞,实现没有点火和火焰稳定的最低温度为1 420 K。     

RBCC混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧性能影响研究

通过数值模拟发现,喷注位置前移有利于改善燃烧性能。为了更加细化探讨,在直连式实验台上进行了进一步的实验研究,研究了RBCC混合燃烧模式中燃料喷注位置对燃烧性能的影响。实验中,详细比较了相同实验条件、不同喷注位置条件下燃烧室压强及燃烧性能。实验发现,在燃烧室前端进行燃料喷注,有利于提高燃烧室压强,提高发动机比冲。可见,燃料提前喷注加强了燃料与火箭羽焰剪切层的掺混,且火箭羽焰对燃料的雾化蒸发效果更佳,使得燃料的燃烧性能得到更大提升,从而提高发动机性能。     

空气加热器声学振荡特性的数值计算

为研究空气加热器的声学振荡特性并为其设计和后续的试验方案提供借鉴,对空气加热器不同喷嘴位置处的喷雾火焰形成的声学振荡进行了数值仿真,重点研究了多个离散点处的不稳定特征以及燃烧室内的流场演化过程。仿真结果捕捉到了燃烧不稳定的典型特征,如起振、线性增长、稳定极限环;非稳态流场直观地展示出喷注面板中心位置处的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成二阶横向声学振荡,并且这种振荡形式具有从喷注面板向喷管入口传播的行波特征;离面板中心53.6mm的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成一阶横向声学振荡,这种振荡形式没有明显的行波特征。     

水反应金属燃料发动机三维两相燃烧数值模拟

用三维湍流N-S方程及颗粒轨道模型描述水反应金属燃料发动机内部喷雾两相湍流燃烧过程。通过耦合求解气液两相流模型方程,得到发动机燃烧流场。通过模拟Mg与水的反应,分析比较了一次和二次进水方案的不同流场特性。研究结果表明,二次进水方案更有利于火焰稳定和提高燃烧性能。     

过氧化氢分解后燃气喷注压降对发生器非正常熄火的影响

通过试验和数值仿真分析了过氧化氢催化分解后燃气通过同轴喷嘴的喷注压降对过氧化氢/低浓度酒精燃气发生器非正常熄火的影响。研究表明：燃气喷注压降或喷注速度是影响发生器正常工作的重要因素,当燃气喷注压降为1.0MPa时,喷注速度过大,火焰无法在燃烧室内稳定,造成熄火;而当燃气喷注压降为0.2MPa后,喷注速度降低,火焰稳定并维持正常燃烧。     

带不同长度凹腔超声速燃烧数值研究

对带不同长深比凹腔的燃烧室三维燃烧流场进行数值模拟,研究了燃烧室流场结构。结果表明：液体碳氢燃料穿透深度较小;凹腔长深比对燃烧效率、总压损失影响较小,对燃烧室阻力影响显著。