气氢/气氧富燃预燃室设计与试验

为获得点火可靠、燃气温度均匀性较好的气氢/气氧全流量补燃循环发动机富燃预燃室,开展了其结构方案设计、燃烧流场仿真和试验研究.结构方案分别为同轴双剪切单喷嘴、同轴剪切多喷嘴和分区燃烧.仿真结果表明,同轴双剪切单喷嘴方案能使燃气温度在较短的预燃室长度内达到较好的均匀性.试验结果表明,同轴双剪切喷嘴方案具有良好的点火可靠性和燃气温度均匀性,并且能在较广的流量范围内维持良好的燃气均匀性.      

同轴双剪切气-气喷嘴数值模拟

通过求解k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组,对以气氢/气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴燃烧室流场进行数值模拟研究.结果表明:气-气推进剂在燃烧室内形成两个燃烧面,能在大流量下实现较高的燃烧效率;同轴双剪切喷嘴的氧喷注速度和氢氧速度比是同轴双剪切喷嘴设计的关键参数,氧喷注速度越小使推进剂的燃烧位置越远离喷注面,而氢氧速度比越大使燃烧位置越靠前;与气-液同轴剪切喷嘴相比,同轴双剪切气-气喷嘴的设计可以取较大的氧喷注速度和适合的氢氧速度比.      

气氢气氧同轴剪切喷注器燃烧流场的PLIF测量及仿真研究

为探究同轴剪切气气喷注燃烧火焰结构及验证仿真方法的可行性,利用RANS方法对实验工况进行了计算,得到了燃烧室温度和OH分布,以及流场结构。并通过实验,利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术测量了透明燃烧室内气氢气氧同轴剪切喷注燃烧火焰的激光诱导OH荧光,得到了火焰结构图像。实验结果表明,在燃烧室前端形成了回流区和结构稳定的剪切燃烧层,在剪切和回流的共同作用下形成了OH尖峰。随OH尖峰下游湍流涡的发展,火焰结构产生褶皱,使燃烧得到了加强。将仿真和实验结果进行对比发现,两者剪切燃烧层位置最大相差0.6mm,OH尖峰轴向位置相差2mm,径向尺寸均为7mm。仿真和实验结果吻合较好,利用该仿真模型对实际情况进行预测是可行的。     

单喷嘴大流量气-气喷注器设计与试验

首先对典型单喷嘴氢/氧同轴剪切式喷注器燃烧流场进行了仿真计算,分析了其燃烧流场特性;并在同轴剪切式构型基础上,为增强掺混、缩短燃烧长度、以适用于大流量工况,进行了改进设计以及相应的数值模拟和试验研究.结果表明:具有高氢/氧动量比和氧喷嘴扩口设计的同轴喷注器可以有效地缩短燃烧长度,并具有良好的热载环境,能够适用于大流量工况.研究结果为设计高效率、可靠热防护的大流量气-气喷注器的设计打下基础,并提供设计思路.      

富氢/富氧燃气同轴剪切气-气喷嘴性能仿真分析

采用正交试验设计方法对富氢/富氧燃气同轴剪切气-气喷嘴设计参数氧压降比、燃氧速度比、氧喷嘴出口壁厚进行组合,数值模拟单喷嘴燃烧室燃烧流场,研究喷嘴设计参数及参数之间的交互作用对燃烧性能和燃烧室热载性能的影响,评价指标为燃烧长度、燃烧室壁面平均燃气温度和喷注面板平均燃气温度.仿真结果表明,燃氧速度比对燃烧与热载有显著影响,氧压降比与氢氧燃氧速度比的交互作用影响明显,分析结果对气-气喷嘴试验设计有重要指导意义.      

近喷嘴区域燃烧流场可视化研究

为进一步深入研究气-气掺混燃烧机理,在带可视化窗口的透明燃烧室中,采用高速摄影仪和数码相机获得了同轴剪切喷嘴、同轴双剪切喷嘴和旋流喷嘴近喷嘴区域的气氢/气氧燃烧火焰结构。结果表明:剪切式喷嘴火焰始于氧喷嘴出口端面,燃烧主要发生在气 -气掺混剪切层当中,同轴双剪切喷嘴在出口形成两个剪切燃烧面;与剪切式喷嘴相比,旋流式喷嘴近喷嘴区域燃烧更加剧烈,当旋流数足够大时,将在中心形成稳定的燃烧回流区。      

全流量补燃循环气气燃烧相似性缩尺试验研究

为指导全流量补燃循环发动机推力室全尺寸气气喷注器设计,采用气氢/气氧推进剂,在带可视化窗口的燃烧室中开展了气气燃烧流场相似性缩尺试验研究。采用高速摄影仪获得了不同流量工况下,同轴剪切喷嘴稳定燃烧和不稳定燃烧两种状态下近喷嘴区域的燃烧火焰结构,并分析了不稳定燃烧的频率特性。结果表明:在保持推进剂种类、推进剂混合比、推进剂温度、燃烧室及喷嘴结构尺寸不变的情况下,随着喷嘴流量的逐步增大,稳定燃烧和不稳定燃烧的喷嘴出口火焰结构均有一定的相似性,且不稳定燃烧的频率相同。     

富氢/富氧燃气同轴气-气喷嘴燃烧性能仿真与分析

为研究全流量补燃循环发动机富氢/富氧燃气气-气喷嘴性能,以758 K的富氢燃气为燃料、676 K的富氧燃气为氧化剂,对采用同轴直流喷嘴、氧喷嘴扩张同轴喷嘴、氢喷嘴收缩同轴喷嘴、氧喷嘴中心具有实心圆柱同轴喷嘴、双同轴直流喷嘴的燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟,并考察了流量对燃烧性能的影响.仿真结果表明双同轴直流喷嘴具有最好的燃烧性能.数值模拟结果对富氢/富氧燃气气-气喷注器设计有参考价值.      

富氢/富氧燃气气-气喷嘴热试

针对全流量补燃循环发动机气-气燃烧关键技术,设计了以气动谐振点火器为点火装置的气氢/气氧富氧预燃室、气氢/气氧富氢预燃室和气-气喷嘴燃烧室,开展了同轴剪切喷嘴气-气燃烧试验研究。试验结果表明,试验方案设计合理,系统稳定可靠,气-气喷嘴燃烧效率最高达到97.2%。随氧喷注器压降增加,燃烧室壁面的热载荷增加,燃烧效率降低。     

同轴剪切喷嘴出口壁厚对气-气燃烧性能的影响

以富氢/富氧燃气为推进剂,在单喷嘴燃烧室中开展同轴剪切喷嘴出口壁厚对燃烧性能影响的研究。通过求解N-S方程获得燃烧流场,分析氧喷嘴出口壁厚变化对燃烧产物、温度分布的影响,进行了壁厚变化对特征速度效率和热载影响的试验研究。结果表明,较厚的氧喷嘴出口壁厚有利于稳定火焰,氧喷嘴出口壁厚较薄时特征速度效率较低,并伴随有燃烧室压力不稳定现象。     

贫燃预混旋流火焰PIV和OH-PLIF瞬态同步测量

为了研究贫燃预混旋流火焰流场与火焰结构特性,设计了强受限预混旋流燃烧器,搭建了PIV(粒子图像测速)和OH-PLIF(平面激光诱导荧光)瞬态同步测量系统。针对典型贫燃工况开展了瞬态同步测量研究,获得了多个截面的瞬态和时均流场速度和OH分布信息。研究表明:低当量比不稳定燃烧工况下,伴随着角涡回火现象,燃烧室底部角落存在明显火焰反应区;由于旋流拉扯效应导致OH分布结构边缘产生褶皱,并出现多个OH“孤岛”;旋流火焰外沿位于喷嘴射流的内侧剪切层;增加当量比,火焰流场结构与反应区分布与低当量比类似,但燃烧更稳定,火焰高度有所增加;内部回流区的经典双涡结构分裂为多个旋涡,存在旋涡进动、破碎的现象。     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

基于PaSR模型的低旋流燃烧大涡模拟

为了深入理解低旋流流场特征和燃烧稳定性,基于OpenFOAM平台,采用动态k方程模型和有限速率PaSR模型对甲烷/空气预混低旋流燃烧进行了大涡模拟,研究了气流入口速度、当量比和压力等流场参数对流场结构和燃烧非稳态特性的影响,分析了流场大尺度结构与火焰相互作用。结果表明,流场结构和火焰抬升高度受入口速度影响较小,流场和火焰形态能够保持自相似性;随着当量比和压力提高,流场扩张性增强并在燃烧区下游产生回流区,火焰稳定不依赖回流区,根部火焰锋面形状由U形转变为W形,火焰抬升高度降低。火焰锋面稳定在剪切层,剪切层产生的周期性有序涡结构引起当地流场速度脉动和火焰表面褶皱,反映了流场非稳态特性;通过剪切层监测点瞬时轴向速度分析,涡结构特征频率随速度增大而提高,由250Hz提高至300Hz,随当量比和压力提高而降低,由250Hz降低至125Hz。     

氢气引燃的酒精超燃火焰结构分析

为研究与液体酒精燃料超声速燃烧相关的点火和火焰稳定机理，利用氢氧基PLIF浓度分布测量技术，显示和对比了氢气引燃的酒精超燃火焰结构与氢气单独燃烧时的超燃火焰结构。通过对火焰着火位置、火焰主要结构特征的比较，分析了使用酒精和氢气时超燃点火与火焰稳定机理的差异。指出火焰结构的变化是由于燃烧控制机理发生了变化。研究发现，除了酒精化学性质不如氢气活泼带来的差别外，液体燃料的喷注、雾化和蒸发等都对火焰结构带来明显影响，其中蒸发过程对酒精火焰结构的形成起主要作用，组织液体燃料的超声速燃烧需要注意这样的差别；在所研究实验条件下，酒精主要由氢气点燃。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果,实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态,采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体,分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时,会显著增强火焰上游甲烷燃烧,从而降低CH*空间分布高度和火焰高度;空气流量增大后,有利于促进甲烷充分燃烧,增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域,等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布,实现剪切层更宽范围燃烧,其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度,并随电压增大作用效果逐渐增强。此外,等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大,该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

合成气组分及雷诺数对火焰结构影响的实验研究

利用非接触的激光PLIF技术测量了在湍流贫燃预混燃烧中的OH自由基分布。以典型煤制合成气真实组分为基础进行工况设计,分为H2含量变化、CO/（CO＋CH4）相对比例变化、雷诺数变化和中低热值对比4部分进行实验。通过OH-PLIF信号分析,探讨了H2含量、CO/（CO＋CH4）相对比例和雷诺数对燃烧的影响。实验结果表明,雷诺数、H2含量和CO/（CO＋CH4）相对比例的变化对合成气燃烧过程都有显著的影响。其中雷诺数的增大和H2含量的增加都加强了OH-PLIF信号强度,即有利于火焰中OH自由基的生成。而CO/（CO＋CH4）相对比例的上升,因同时减少了CH4含量,导致OH自由基浓度下降。H2含量的升高和CO/（CO＋CH4）相对比例的上升（转折点前）对于火焰行程都有缩短的作用,强化了燃烧。转折点之后CO/（CO＋CH4）相对比例的继续上升不利于燃烧。后文对裂解气火焰瞬时图像和火焰面密度的分析印证了上述规律。     

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。     

凹腔稳定的超声速火焰结构的实验研究

凹腔是高湍流度超声速燃烧的火焰稳定装置。为研究其尺寸结构及喷注位置对不同燃料燃烧性能的影响,设计了不同凹腔、不同位置横向喷注的氢及乙烯的超燃实验,拍摄了凹腔内OH.基与CH.基自发辐射火焰图像。并利用非线性分形的研究方法,分析了火焰分形维数与燃烧程度及火焰稳定性的关系。用大涡模拟方法对二维凹腔氢超燃流场进行了数值仿真,分析了凹腔流场结构,并对凹腔后缘压力时间序列进行了相空间重构,计算了其分形维数。实验及仿真结果均表明:燃烧的分形维数高时,燃料与空气接触充分,燃烧剧烈,易于火焰稳定。     

加力燃烧室流场形态与振荡燃烧数值模拟

利用数值方法对发动机加力燃烧室内的流场形态和振荡燃烧进行模拟,获得流场平均参数及涡系结构,观察到燃烧室内火焰稳定器唇口附近剪切涡对选择模型的敏感性,发现火焰稳定器后的涡脱落和回流区的周期性变化是引起加力"蜂鸣"现象和振荡燃烧的重要因素,证明了Rayleigh准则在研究此类问题时的适用性.