氢/氧气-气燃烧与气-液燃烧特性对比研究

对氢/氧气-气和气-液同轴剪切式单喷注器进行了燃烧流动的仿真研究.采用带化学反应的湍流Navier-Stokes方程和颗粒轨道模型描述发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,气相化学反应速率都由Ar-rhenius公式计算.对典型气-气燃烧和气-液燃烧仿真结果进行了比较,结果表明气-气燃烧完成长度相对气-液燃烧更长;并进行了同轴喷注器关键参数对两种燃烧流场的影响的仿真和分析比较,得到喷注流量和动量比均为影响两类型喷注器燃烧流场的关键因素,且这两因素对燃烧完成长度的影响趋势是完全相同的,而喷注速度对两类型喷注器燃烧流场影响程度都较小.      

氢/氧气-气喷注器冷流掺混与燃烧比较的仿真研究

分别采用无化学反应的和带化学反应的湍流N-S方程描述发动机内流动过程,对气-气同轴剪切式单喷注器进行了冷流掺混和燃烧的仿真.其中化学反应速率由Arrhenius公式计算,采用9步详细反应动力学模型来描述氢氧反应.对典型冷流和燃烧仿真结果进行了比较,结果表明燃烧掺混速率明显小于冷流掺混速率;并对同轴喷注器关键参数对冷流和燃烧掺混的影响进行了仿真和分析比较,得到速度比、缩进量和喷注流量的影响是一致的,而喷注速度的影响是相反的.      

结构参数对单组元高室压脉冲推力器的性能影响

高室压脉冲火箭发动机由于使用差动式可移动喷注器,能够得到比供给压强高得多的燃烧室压强.为了分析其工作特性,建立了单组元脉冲火箭发动机挤压喷注、燃烧、排气过程的集总参数模型,以硝酸羟铵(HAN)基作为单组元推进剂,采用四阶龙格-库塔法对模型进行求解.分别从喷注器喷孔面积、喷注器差动面积比、喷管喉部面积、喷注器行程等方面分析并总结了结构参数对单组元高室压脉冲发动机性能的影响规律及影响程度.结果表明:计算模型能反映发动机的实际工作过程,其中,喷注器行程对燃烧室平均压强和平均比冲的影响最大,平均推力则对喷管喉部面积的变化最为敏感,上述两个结构参数是发动机优化设计时的首要考虑因素;其他结构参数对发动机也存在不同程度的影响,可以作为次要因素来考虑.      

超燃冲压发动机支板喷射燃料的燃烧过程试验

利用高速摄影和高速纹影对超燃冲压发动机支板喷注燃料的燃烧流动过程进行了试验研究,结果表明:燃料喷注器与火焰稳定器之间的相对位置,对流场的火焰结构和发动机性能有较大的影响,支板侧喷较尾喷方案具有更好的燃烧效果.燃烧与流动强烈耦合,燃烧放热使得燃烧室压力升高,改变了上游来流流场结构,流场结构的改变同时又影响到了燃料的喷注、扩散和混合过程.      

RBCC发动机亚燃模态一次火箭引导燃烧的实验

针对使用液体煤油燃料(JP-10)的火箭基组合动力循环(RBCC)发动机在亚燃模态下使用一次火箭作为引导的燃烧组织开展了实验研究.实验在低来流总温条件下,使用小流量一次火箭羽流作为引导火焰可以实现液体煤油的可靠点火和稳定燃烧,并在扩张燃烧室中实现“热力壅塞”,从而完成RBCC发动机亚燃模态的高效燃烧.在目前发动机燃烧室构型下,通过一系列的发动机壁面压力分布曲线和推力增益的比较,研究了凹腔,支板及壁面喷注位置对发动机性能的影响.实验的结果表明:在一次火箭的下游使用支板喷注器可以使得燃料较容易的分布在主流中,并且在一次火焰羽流的引导下可以实现稳定高效的燃烧.支板喷注器的位置对于发动机的性能有很大的影响,在凹腔前壁面横向喷注燃料,有利于RBCC发动机燃烧性能的提升.为了获得较优的发动机亚燃模态性能,需要进一步对燃料的喷注策略开展优化研究.      

轴向喷注端面燃烧固液火箭发动机数值仿真

针对一种轴向喷注端面燃烧固液火箭发动机开展了研究,分析了该类发动机的燃烧机理,建立了考虑气-固边界耦合及燃料热解的发动机燃烧流动仿真模型,对发动机内流场进行了数值仿真.分析认为:发动机内存在端面燃烧和侧面燃烧两种燃烧状态,燃烧状态主要受氧化剂流速的影响.当氧化剂流速跨越转变速度后,燃烧状态发生改变.发动机流场数值仿真结果同样表明:不同氧化剂流速下发动机内存在上述两种燃烧状态,仿真得到的转变速度区间与文献试验结果吻合较好.      

ADN基发动机燃烧室CO组分实验测量

为研究ADN基发动机燃烧室内的燃烧过程,搭建了一套基于可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)实验测量系统。实验采用直接吸收光谱法对ADN基发动机燃烧室内CO组分摩尔分数进行测量,获得了喷注压力分别为1.1MPa,0.9MPa,0.7MPa,0.5MPa时,发动机燃烧室内CO组分摩尔分数随时间的变化。实验结果表明当发动机喷注压力由1.1MPa下降到0.5MPa时,燃烧室内CO平均摩尔分数由2%上升到4.7%,这表明发动机喷注压力的变化影响燃烧室内ADN基推进剂化学反应进程,当喷注压力下降时燃烧室内CO摩尔分数升高,ADN基推进剂燃烧不充分。     

超燃冲压发动机性能的准二维计算方法

为了能在双模态超燃冲压发动机流道方案初步论证中提供一种较快速的发动机性能计算方法,在二维N-S方程基础上,引入一维完全燃烧计算方法,提出了预估超燃冲压发动机性能的准二维计算方法.该方法能够计入激波、边界层分离等对发动机性能的影响,可在较短时间计算出整机推力、比冲性能和沿程热力学参数.通过对自由射流发动机计算,验证了此方法.并在此基础上,初步分析了燃料喷注位置和流道构型对发动机性能的影响.     

基于气动斜坡/燃气发生器的超燃燃烧室实验

为探索超燃冲压发动机燃烧室中的新的火焰稳定技术,提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术,并在北航直联式超燃试验台对这种新型组合喷注器开展了超声速燃烧的试验研究。在模拟飞行马赫数5(燃烧室入口Ma=2),进行了冷流试验,获得了喷注器附近流场的纹影图像。本文设计了4种气动斜坡喷注单元,以乙烯为燃料,在约1kg/s试验气流中开展了多级喷注单元组合的超声速燃烧试验,在当量比0.78～1.22范围内实现了稳定的燃烧,经冲量分析法计算得到不同组合结构的燃烧效率为0.54～0.72。试验结果验证了这种新方案作为超然冲压发动机火焰稳定装置的可行性。     

多凹腔双模态冲压发动机燃料喷注方案试验研究

为了更深入地了解和掌握多凹腔双模态冲压发动机的燃料喷注方案对燃烧室流场结构和工作性能的影响,开展了模拟飞行马赫数4.5~5.0及总温1048~1231K范围内变化的多凹腔双模态冲压发动机地面直连试验。通过试验,得到了不同喷注当量比、喷注位置或喷注级数条件下稳定的壁面压力分布和出口总压数据,并采用一维冲量分析程序对试验数据进行了详细处理和分析。结果表明:提高喷注当量比能有效地提高发动机的推力,但燃烧效率和发动机比冲会降低;将燃料喷注位置提前能使发动机的燃烧效率和推力分别提高5.6%和4.4%;燃料的分配方案对燃烧室的流场结构有明显影响,热力喉道的位置随燃料更集中地在下凹腔喷注而更靠下游,且要形成该热力喉道则需加入更多热量;采用上下游的两级喷注能形成较宽范围的亚声速区,有利于燃料的燃烧释热,可使燃烧室效率和发动机推力分别提高10.4%和10.8%。     

含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率研究

为了提高含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率,从推进剂的燃烧热值定义出发推导了燃烧效率表达式,并通过地面试车实验和热力学计算研究了催化剂、氧化剂喷注方式、后燃室容积对燃烧效率的影响。结果表明:推进剂的燃烧效率变化趋势可由特征速度效率表示,但更为精确的燃烧效率表达式应为特征速度效率的平方;燃料中添加卡托辛、亚铬酸铜和硬脂酸钴可使燃烧效率分别提高32.8%,43.3%和52.0%;相比涡轮转子和螺旋喷注器,离心式喷注器的旋流效果更好,可促进燃料与氧化剂掺混,从而更有利于提高含石蜡燃料的退移速率和燃烧效率;增加后燃室长度可提高燃烧效率,但较长的后燃室散热损失和流动损失较高从而导致比冲较低,当后燃室长度为80mm时,燃烧效率可达89.3%,因此得出了三种有效提高含石蜡燃料燃烧效率的方法。     

三组元发动机燃烧稳定性试验

设计了气氢／液氧／煤油三组元双工况模型发动机，对不同燃烧室压力、燃料比例，喷注器的结构，燃烧室长度，混合比条件下的高频燃烧稳定性进行了试验，试验中观察到低频和高频自激燃烧不稳定，有限的试验表明，较大的缩进比和较小的旋流数有利于燃烧稳定，提高燃料中氢气的比例＞10％时，有利于燃烧稳定；但氢气对烃氧燃烧稳定性的提高不是绝对的，氢气在燃料中的比例达39％时，燃烧室内仍存在压力为0．13MPa的压力脉动。     

氧化剂含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压强指数的公式,计算了氧化剂组分含量和粒度对燃烧性能的影响。经验证,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±20%以内,其中80%的偏差在±10%以内。这说明所建立的模型基本合理,编制的NEPE类推进剂燃速计算程序基本可行。     

硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能研究

实验研究了硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能。通过对PET,PEG和叠氮聚醚三种粘合剂;NG,TEGDN及BTTN三种增塑剂;AP,RDX,Al粉的含量和粒度进行研究,发现推进剂在9～25MPa压强范围内燃速 压强曲线存在拐点,得出了推进剂各主要组成及固体组分的含量和粒度变化时推进剂高压燃烧性能的变化规律:分别以PET,PEG和叠氮聚醚为粘合剂时,推进剂燃速依次升高;含不同增塑剂的推进剂的燃速随增塑剂中硝酸酯基含量的增加而增加;AP含量增加同时RDX含量减小,燃速增大并且压强指数降低;AP粒度减小时,燃速增大,并且超细AP可大幅度增加燃速;Al粒度减小时,燃速先减小后增大,致使推进剂压强指数升高。     

基于全连接神经网络的分层旋流火焰燃烧振荡预报

燃气轮机贫油预混低排放燃烧室容易发生燃烧振荡,在宽工况极端条件下燃烧主动控制有潜力成为抑制燃烧振荡的有效方法。然而主动控制系统依赖于对燃烧振荡的快速监测和准确预报,因此有必要针对不同的燃烧振荡预报手段开展研究和验证。本文以甲烷预混同心分层旋流火焰的图像为基础,采用降低图像分辨率和提取火焰结构特征参数这两种不同的方式对火焰图像信息进行简化处理,并使用全连接神经网络对燃烧振荡进行预报研究。结果发现,两种方式都可以较为准确地预报燃烧振荡,精度均达到90%以上。预报精度随着图像分辨率的增加而升高,在极低的图像分辨率(3*3)下,预报精度也能达到90%以上。此外,对根据火焰平均图像提取的结构特征参数进行了敏感性分析,捕捉到了系统稳定性的转变,但参数变化范围受训练集限制。本文提出的基于数据驱动方法对燃烧振荡的预报时间小于2 ms,为实现燃烧振荡实时在线预报提供了支持。     

环境条件对铝粉颗粒燃烧产物凝聚的影响

采用金属颗粒蒸汽相扩散燃烧模型和燃烧产物多相成核理论,对铝粉燃烧所形成的Al₂O₃平均粒径进行了计算研究。根据计算结果,就环境因素对铝粉燃烧区域中的温度、燃烧产物的过饱和度及其凝聚成核速率的影响规律进行了分析讨论。结果表明:环境压强增加,铝粉燃烧温度和液滴表面温度提高,铝粉燃烧产物平均粒径降低;环境压强对参数分布特性的影响比环境温度的影响更为显着。      

Scaling effects on combustion modes in a single-side expansion kerosene-fueled scramjet combustor

The combustion modes in two different scramjet combustors with the mass flow rates of 1.8 kg/s and 3.6 kg/s are experimentally investigated to explore the scaling effects on supersonic combustion with a Mach number 2.0 inflow. It is found that the scramjet combustor with a larger scale can broaden the flame rich blowout limit. As the Equivalence Ratio (ER) increases, the combustion in the small-scale combustor maintains in the cavity-stabilized mode, and the flamebase moves downstream along the cavity shear layer; however, the combustion in the large-scale combustor gradually transfers from the cavity-stabilized mode to the jet-wake-stabilized mode. The differences in the cavity residence time, the ignition delay time and the Damkohler number caused by different scales of the scramjet combustor are likely to account for the scaling effects on the combustion modes.     

超音速燃烧室燃烧效率数学模型及气流状态参数的计算

本文分析及提出了超音速燃烧冲压发动机燃烧室燃烧效率的数学模型.该模型综合了氢气喷射方式、燃烧室进口气流参数以及燃烧室结构的影响因素.用这一数学模型求解一组一元流方程.计算出通过燃烧室的气流状态参数,计算结果与试验数据对比,证明这个模型是适用的.     

液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型及计算机模拟

本文提出了一个通用的液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型.模型采用多流管压力耦合方法,并考虑了推进剂液滴剥离、高压超临界燃烧和液膜冷却等对发动机燃烧过程的影响.利用本模型对液氧/丙烷发动机燃烧过程的计算模拟表明:本模型为液氧/烃发动机燃烧过程的模拟和性能预估提供了一个有效的理论工具.     

Experimental study of rotating gliding arc discharge plasma-assisted combustion in an aero-engine combustion chamber

The combustion chamber is the core component of an aero-engine, and affects its reliability and security operation, even the performance of the aircraft. In this work, a Plasma-Assisted Combustion(PAC) test platform was developed to validate the feasibility of using PAC actuators to enhance annular combustor performance. Two plans of PAC(rotating gliding arc discharge plasma) were designed, Assisted Combustion from Primary Holes(ACPH) and Assisted Combustion from Dilution Holes(ACDH). Comparative experiments and analysis between conventional combustion and PAC were conducted to study the effects of ACPH and ACDH on the performances including average outlet temperature, combustion efficiency, pattern factor under four different excessive air coefficients(0.8, 1, 2, and 4), and lean blowout performance at different inlet airflow velocities. Experimental results show that the combustion efficiency is improved after PAC compared with that in normal conditions, and the combustion efficiency of ACPH increases2.45%, 1.49%, 1.04%, and 0.47%, while it increases 2.75%, 1.67%, 1.36%, and 0.36% under ACDH conditions. The uniformity of the outlet temperature field and the lean blowout performance are improved after PAC. Especially for ACPH, the widening of the lean blowout limit is8.3%, 12.4%, 12.8%, and 25% respectively when the inlet velocity ranges from 60 m/s to120 m/s. These results offer new perspectives for using PAC devices to enhance aero-engine combustors' performances.