有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

射流预冷技术可以有效降低进气温度并提高航空发动机的性能。为探究该技术在高空环境下对流场问题的影响,采用径向均匀射流方案,模拟高空条件,结合水滴的蒸发过程以及气液两相的耦合作用对预冷段射流喷水的情形进行数值计算。结果表明,径向喷射方案能够有效降低进气温度,在各个工况中,温降系数约为8%~26.7%;在高温工况中提高喷水量可以有效提高温降效果,工况6的喷水量和工作温度都是最大的,温降系数和蒸发效率分别达到了最高值的26.7%和73.9%;预冷段的压降损失和出口流场均匀度取决于来流马赫数和喷水量,高马赫数和较大的喷水量都会加剧压损与流场的紊乱程度,由于工况6的高射流量和气流马赫数,其在喷水装置处的压降系数达到了最大值的5.8%。     

换热预冷发动机预冷特性和发动机性能数值研究

为深入了解换热预冷发动机换热器预冷效果和发动机性能,首先设计了叉排管束式细小通道换热预冷器,并采用非定常数值模拟方法对换热效果进行了仿真,然后结合换热预冷发动机性能计算程序对预冷发动机性能进行了研究。结果表明,飞行马赫数为2.5~4.0且氢气空气质量流比为0.03~0.09条件下,换热预冷器能将来流空气预冷90.6~471.2 K,低温氢气经吸热后温度升幅为266.1~455.3 K,换热效果良好。来流空气经预冷后涡轮发动机的飞行包线最高被拓展至马赫数4.0,达到了与超燃冲压发动机的衔接速域。相比于传统涡轮发动机,氢气空气质量流比为0.03时,本文换热预冷发动机加力状态推力能恢复至设计点推力水平;当氢气空气质量流比增加至0.09时,加力状态推力最高达到设计点推力的两倍左右。马赫数2.6以下换热预冷措施能小幅改善发动机比冲和耗油率（仅计算用于燃烧的氢气量）性能,而飞行速度大于马赫数2.6后换热预冷措施也难以抑制比冲和耗油率迅速恶化的趋势。     

接力喷嘴不同径向高度和方位角对加力燃烧室 热射流点火性能的影响

为了研究不同热射流点火状态下的燃烧性能,针对采用波瓣混合器的某型航空发动机加力燃烧室,基于N-S方程建立了3维数值计算模型,得到了接力喷嘴径向高度和方位角对加力燃烧室流场、燃烧特性和流阻特性的影响规律。结果表明:随着径向高度增加,热射流火焰传播距离逐渐减小,传播到稳定器下游区域从内涵逐渐向外涵移动,且稳定器壁面高温分布区域逐渐减小;随着方位角增大,热射流火焰径向穿透深度逐渐增大,且稳定器壁面高温区域逐渐减小,在方位角α=0°和α=5°时稳定器壁温最高,为1450 K左右;在加力燃烧室出口截面上,径向高度和方位角对无量纲总压影响不大,整体小于0.005。     

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

射流装置降温性能评估及敏感性分析

为了研究射流预冷喷射装置方案的降温性能及敏感性,以涡轮基组合循环发动机(TBCC)射流预冷技术为研究对象,提出由低流阻翼型结构的喷杆和雾化喷嘴组成的射流预冷喷射装置方案。利用FLUENT软件对射流预冷喷射装置方案进行了数值模拟,获得该装置在不同喷嘴布局下的流场特性,以流场均匀性、阻塞比、压力损失、温降等性能指标评选最优方案。经过初步分析,蒸发距离、气体来流温度、液滴粒径和喷射流量会对蒸发过程产生影响,因此采用DOE结合数值模拟计算,对各影响因素对降温量和蒸发量进行敏感性评估。分析结果表明:喷射后的温降情况受射流流量、气体来流温度和蒸发距离的影响明显,分别约为65%、20.4%和1.3%;受液滴粒径的影响不明显,约为0.21%。在后期的试验过程中,应充分考虑喷射流量、气体来流温度和蒸发距离对温降的影响。     

射流旋涡发生器抑制进流管流动分离的数值模拟

高航速时喷水推进器进流导管背部流动发生分离，加剧了喷泵的进流畸变，导致推进性能下降。本文提出在进流管上布置射流旋涡发生器（VGJ）抑制进流管的流动分离，并通过数值模拟分析了射流孔位置、射流角度、射流流量等射流参数对控制效果的影响。经参数优选后，布置在背部流动分离点前的VGJ、射流角度10°、射流流量是出流流量的2.3%时，进流管出流的不均匀度系数、旋流度、总压畸变指数分别降低35.18%,60.62%,46.42%，总压恢复系数提高了18.07%。VGJ的流动控制作用明显，工况适应性较好，为喷水推进器采用主动流动控制提升推进性能提供理论依据。     

基于Zukauskas关系式的预冷发动机进气道流动特性研究

为了研究预冷发动机进气道流动特性，以二维变几何轴对称进气道为研究对象，利用Zukauskas横掠管束绕流关系式，对进气道流场展开了数值仿真研究，探究预冷器的冷却效应及换热管直径对进气道流场、性能的影响。结果表明：Zukauskas关系式能较好地预测气流在预冷器管束间的流动损失；经过预冷后，涡轮通道总温大幅下降，但总温分布不均匀，温度梯度明显，对流换热对上游流体总温产生的影响很小；在Ma∞=2～5飞行工况下，换热功率随着飞行马赫数的增加而增大，涡轮通道的出口总温较预冷前降低了22%～60%，出口马赫数降低了17%～51%，反压比增加了10%～26%，总压恢复系数增加了3%～8%；当预冷器的管径从1 mm增大至2.5 mm时，涡轮通道出口速度降低了16.5%，反压比降低了1%，总压恢复系数呈现先下降后上升的趋势。将虚拟预冷器管束排布方式改为顺排，预冷器的换热功率下降，出口总温上升，涡轮通道的出口速度上升了11%～30%。     

射流预冷装置温降与流阻特性试验研究

为了满足基于某型传统涡轮发动机射流预冷技术验证的需求,以射流预冷装置的温降和流阻特性研究为基础,设计了1种高效蒸发、低流阻的射流预冷装置,搭建了国内首套基于全尺寸的地面模拟试验系统,通过试验验证的方法研究了喷入介质的流量变化和进气温度变化对温降和流阻特性的影响,验证了射流预冷技术的有效性。结果表明:发动机入口来流温度不变时,射流预冷装置的温降特性主要取决于喷入介质的流量变化;随着来流温度的升高,射流预冷装置的介质蒸发率提高,来流降温量也会随之增大;通过调节喷射介质的流量,可将发动机风扇前气流温度维持在80~120℃;流阻特性主要取决于射流预冷装置自身,而介质喷射对流阻特性几乎不产生影响;射流预冷装置的总压损失小于4%,且随着来流温度的升高,总压损失有所减小。     

燃气发生器燃烧室实验研究

燃气发生器可以有效解决低马赫数、低总温条件下液态煤油在超声速燃烧室中点火与稳定燃烧的困难。为给低马赫数条件下燃气发生器设计和强迫点火方式提供参考,在来流马赫数6、总温1650K条件下,开展了不同燃烧室结构、煤油的添加及分布、燃烧组织方式对点火和燃烧的影响实验研究。研究结果表明,随着出口喉道的减小,冷热工况燃烧室壁面压力增大,同时隔离段内受扰动最前点位置向上游移动。燃烧室出口面积与隔离段出口面积之比Q_S为0.50时,进气道在冷工况能够正常运行,热工况时煤油开始燃烧造成进气道喘振;Q_S为0.78和1.12时,进气道在冷热工况均可正常运行;Q_S为0.78,两个喷注位置组合下,煤油当量油气比达到11时能够成功点火并稳定燃烧,进气道正常启动,燃气发生器能够产生高温富油燃气。低驱动压、大喷孔的离心喷嘴喷注煤油更容易燃烧且燃烧效果更好。高富油条件下,以可添加煤油最大煤油量为分界,增加或减少煤油喷注量,可以作为小范围控制生成燃气温度的一种方式。     

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。     

吞水对回流燃烧室部件性能影响的试验

以全环回流燃烧室验件为平台,试验研究了吞水量对燃烧室进口温度、燃烧效率、燃烧室当量温升、燃烧室出口温度分布系数（OTDF）、燃烧室出口径向温度分布系数（RTDF）等燃烧室性能的影响。试验结果表明：发动机不同的工作状态,在吞水量为燃烧室进口空气流量5%的范围内,随着燃烧室吞水量的增加,燃烧室进口温度、燃烧效率、总压损失和当量温升均会降低,地面慢车燃烧效率从99.3%下降到97.2%;燃烧出口温度场品质变差,设计点状态的燃烧室出口温度分布系数值由0.23升高到0.28;地面慢车燃烧室熄火油气比由0.004 5升高到0.006 5,熄火边界缩小。     

钝体火焰稳定器后燃烧不稳定数值模拟

为了缓解航空发动机加力燃烧室中频繁出现的燃烧不稳定现象,利用商业软件Fluent对带钝体火焰稳定器的模型加力燃烧室进行基于大涡模拟（LES）的3维热态数值仿真。通过分别改变加力燃烧室的来流温度、来流马赫数、燃油当量比3种影响燃烧的关键因素来分析其对火焰稳定器后燃烧不稳定现象的影响。结果表明：来流温度从600 K提升到1200 K时,钝体稳定器后火焰形式由直线状的剪切层火焰向波浪状的漩涡火焰转变,燃烧不稳定机制由K-H不稳定向BVK不稳定转变;来流马赫数从0.1提高到0.3时,燃烧不稳定的脉动频率随之提高,压力脉动的幅值随之增大,但放热脉动的幅值先增大后减小;燃油当量比从0.5增大到0.7时,燃烧不稳定的频率变化较小,压力脉动与放热脉动的幅值存在先增后减的趋势。     

多喷嘴构型的轴对称氢氧加热器设计与仿真

为了使氢氧燃烧加热器满足自由射流试验台工作需要并获得均匀的出口气流参数,采用同轴剪切式7个喷嘴轴对称构型喷注器,利用CFD仿真软件对其进行了三维反应流场计算,燃烧模型采用氢氧单步反应模型,获得了设计工况下的参数.计算结果表明:燃烧效率随着中心喷嘴与外围喷嘴距离L与喷注面板半径R之比(L/R)的增大先上升后下降;喷注面板的温度随着L/R的增大而降低,最终维持在600K左右;加热器出口的氧气摩尔分数以及总温的均匀性基本不随着L/R变化而变化;出口主流区的马赫数在6左右满足设计要求.在各个喷嘴的影响区域大致相等时,加热器综合性能良好.氢氧速度比越大,完全燃烧所需区域越短,喷注面板温度越高.与单喷嘴、19个喷嘴的加热器比较发现7个喷嘴的构型较为合理.      

预冷对发动机进气道流动特性影响的数值模拟研究

为了研究预冷对协同吸气式火箭发动机(Synergetic Air-Breathing Rocket Engine,SABRE)进气道流场性能的影响,以各工况临界状态下无预冷的SABRE发动机进气道为对象,结合多孔介质耦合源项法开展了预冷效应对进气道流动特性影响的数值仿真研究。对比了预冷前后进气道流场及气动性能的变化。研究表明,多孔介质耦合源项法预冷可以较好地模拟预冷器的冷却效应及压降效应,预冷后结尾激波较预冷前向前移动了一段距离,各工况涡轮通道出口总温降低了48%～77%,其中Ma2～4时总温降低到了210K左右;来流空气经预冷后涡轮通道出口马赫数降低,流量系数也随之降低;进气道总压恢复系数呈减小趋势,低速工况总压恢复系数较好,预冷前后两通道总压恢复系数变化不大,涡轮通道流量系数较预冷前降低了约15%。     

喷嘴匹配方案及火焰筒开孔对燃烧室性能影响的试验研究

基于航空发动机主燃烧室扇形试验,针对点火喷嘴特性以及火焰筒大孔射流的改变对主燃烧室性能的改善情况进行了研究。试验中进行了点火用喷嘴匹配方案对燃烧室熄火性能,以及火焰筒大孔面积变化对燃烧室贫油熄火、燃烧效率和出口温度场性能影响的研究。研究结果表明：在供油系统设计中采用放大型点火喷嘴可改善主燃烧室贫油熄火性能;增大火焰筒主燃孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,而贫油熄火特性将变差;增大掺混孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,拓宽燃烧室的熄火动界．     

以柴油为燃料的燃烧室燃烧效率实验及分析

地面动力常常需要改进利用航空燃气轮机技术,为了研究燃气轮机燃烧室在低工况下使用柴油燃料的燃烧效率问题,采用燃气分析试验方法,对燃气轮机燃烧室在不同进口总温、空气流量和油气比等工况下的燃烧效率进行了研究。结果表明:油气比较低时,燃烧区温度低,燃烧不完全导致燃烧效率急剧下降,随着燃烧室油气比的增加,燃烧效率逐渐接近100%;进口空气流量以及进口总温的增加会提高空气雾化喷嘴的雾化能力以及燃烧温度,燃烧更加充分完全,燃烧效率由96%左右提高至99%以上;总结归纳得到了适用于柴油燃料的燃烧效率预估经验关系式。     

涡轮级间燃烧室燃烧性能试验

开展了进口空气马赫数、驻涡区余气系数影响涡轮级间燃烧室燃烧性能的试验研究,获得了燃烧室性能参数的变化规律:随着进口马赫数的增大,总压损失从1.5%增加到7%,流阻系数变化不大,出口温度分布系数OTDF(overall temperature distribution factor)也相应变大;对于不同的进口马赫数,燃烧效率、OTDF随驻涡区余气系数的增大分别为降低和基本不变;燃烧效率大多在70%~85%之间;试验中得到的在燃烧室进口温度为473K时的最大贫油熄火余气系数为9.7.      

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

主燃级基于旋流直射式喷嘴的超低排放燃烧室实验研究

为了实现航空发动机超低NO_x超低排放的目标，本文提出贫油预混预蒸发低排放燃烧室主燃级采用旋流直射式喷嘴技术，达到主燃级燃油和空气强化混合的效果，获得良好均匀性的油气混合物进行燃烧。在单头部燃烧室试验件上实验研究了LTO循环4个工况(慢车、进场、爬升和起飞)的燃烧性能和污染排放性能。研究结果表明：除慢车工况的燃烧效率接近0.99外，其余工况的燃烧效率均大于0.995；在LTO循环内，CO,UHC和NO_x排放均比CAEP/6排放标准降低50%以上，且NO_x比CAEP/6低72.5%，达到了超低排放的目标；同时与其他各型低排放燃烧室相比，起飞工况、爬升工况的NO_x排放在LTO循环中的占比均有较大幅度的降低。     

三级旋流器旋流角匹配影响双环预混旋流燃烧室燃烧性能试验

为研究地面用燃气轮机以0号柴油为燃料时的燃烧特性,对装有值班级直射式喷嘴和5种旋流器组合方案的双环预混旋流(Twins Annular Premixing Swirler,TAPS)燃烧室的特性进行了实验测试,获得了5种旋流器组合方式下燃烧室的流阻性能和燃烧性能。研究结果表明:双环预混旋流燃烧室的总压恢复系数都在0.97以上,高于经典的单环腔燃烧室;值班级采用直射式喷嘴会导致燃烧室的点火和CO排放性能下降,点火油气比在0.04以上,CO排放高于36g/kg;随值班级旋流角增大,可改善点火性能,最低点火油气比可达到0.04左右,加宽贫油熄火边界,慢车贫油熄火边界可低至0.0058;燃烧室入口温度升高可以使燃烧室点火油气比下降30%,贫油熄火油气比下降35%;5种旋流器组合方式下,NO_x和UHC的排放最低达到了1.1g/kg和3.85g/kg,满足低排放燃烧室的要求,冒烟指数达到了无烟燃烧室的标准,CO排放最高达到了51.84g/kg远高于要求值,燃烧效率最高为0.987,低于先进燃气轮机对燃烧效率的要求。