气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响

为了掌握气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响规律以及解释声学实验中出现的切向频率分化现象的内在机理,采用声学有限元方法(FEM)并在单喷嘴声学模拟实验验证的基础上,从固有频率和声压分布角度分析了气喷嘴长度、声腔长度和节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,利用声压分布成功地解释了实验中出现的频率分化现象。结果表明:当燃烧室某阶切向振型频率与喷嘴1阶纵向振型频率相等时,喷嘴由于共振将切向振型声压幅值极值点附近的能量转移到喷嘴中,改变了燃烧室原切向振型的声压分布,因此在声学实验中产生切向频率分化现象;气喷嘴长度与节流嘴直径之间存在着耦合关系,在液氧煤油补燃发动机喷嘴设计阶段可进行组合参数匹配优化。      

推力室状态对其声学振型及其阻尼特性的影响

为确定工程中冷态条件下获得的推力室声学特性能否表征真实条件下的声学特性,研究了冷态无流动、热态气相流动和湍流两相燃烧三种状态下推力室声学振型及其阻尼特性。在推力室稳态流场中的有限区域施加数值定容弹,激发其具有多模态声学振型的大幅值压力振荡,采用衰减时间和半带宽来定量评价所激发的不同声学振型压力振荡衰减快慢,进而获得其阻尼特性。在相同过载比的数值定容弹激励下,在冷态条件下能激发包含更多声学振型压力振荡,且该振荡衰减时间更长,相同振型压力振荡衰减比热态条件下慢。在冷态条件下,一阶切向振型振幅最大,为最容易被激发声学振型;一阶纵向振型半带宽最小,为最难衰减的振型。在热态条件下,一阶纵向振型为最容易激发声学振型,也为最难衰减声学振型。从所激发的主要振型及其相对衰减的快慢来看,冷态条件下获得的声学特性能够表征真实条件下的推力室的声学特征。     

刀具声发射信号混沌特征提取及趋势分析

旨在建立一种基于多混沌特征演化分析的刀具磨损状态监测方法,通过计算刀具声发射信号的混沌特性参数分析其磨损趋势。建立首先基于混沌理论分析和描述刀具不同磨损阶段声发射信号的混沌特性,包括：定性描述,即重构相空间的奇异吸引子轨迹和庞加莱截面;定量描述,计算不同时间段声发射信号的关联维数、最大Lyapunov指数等。其次,采用最小二乘回归方法对所计算的混沌参数进行趋势分析。结果表明,声发射信号具有混沌特性,而且关联维数和最大Lyapunov指数演化趋势与刀具的磨损状态具有一定的关联,从而为刀具磨损状态的在线监测和预测提供了新思路。     

有声腔燃烧室的声学特性实验

为了掌握声腔对燃烧室声学特性的影响规律,采用冷态实验方法,研究了带有轴向直圆孔声腔的模拟燃烧室的声学特性,其中声腔长度、开口面积比（声腔横截面积除以燃烧室横截面积）和个数均可调节.研究结果表明:燃烧室固有频率随声腔长度的增加而逐渐减小;声腔存在最佳深度,能够抑制一阶切向振型,该最佳深度不受声腔开口面积比影响,略小于1/4一阶切向波长;对抑制一阶切向振型而言,声腔存在最佳开口面积比,在本研究中约为0.17;声腔的分布对燃烧室的声学特性影响较大,相同开口面积比下,声腔个数越多,声波衰减越快.      

隔板对燃烧室声学特性的影响

为了研究液体火箭发动机燃烧室出现的横向一阶切向燃烧不稳定,通过冷态声学试验和理论算例的计算,研究了不同参数的隔板装置对一阶切向声学频率及阻尼特性的影响,结果表明:增加轴向隔板长度和径向隔板数目均会降低一阶切向声学频率,同时增强声阻尼效果;喷嘴式隔板产生的声阻尼效果,比典型直板形状的隔板要好得多,隔板喷嘴最佳间隙在0.1~0.4mm,采用最佳隔板喷嘴间隙能够在较短的轴向隔板长度上得到较高的阻尼能力,从而改善冷却问题.      

燃烧室头部两侧进气掺混气动特性

对一种燃烧室头部两侧进气掺混段的气动特性开展了数值仿真及试验验证,得到了掺混段在不同反压、来流马赫数、攻角及侧滑角下的性能参数和流场特征.结果表明,掺混段头部存在的横向旋涡是燃烧室火焰稳定和燃烧组织的关键,有攻角或侧滑角的情况下,掺混段的总压恢复有所下降,因此组织燃烧时应进行相应调节,以防止进气道进入不稳定工作状态.试验验证结果表明,仿真与试验的曲线规律一致,仿真研究结果可作为燃烧室设计和燃烧组织的依据.      

涡流冷却推力室流场特征与性能仿真

针对2000N气氢/气氧涡流冷却推力室,采用三维全尺寸计算模型开展了仿真研究,得到了流场速度分布特点,验证了涡流冷却推力室内具有双向涡旋结构,内外涡流分界面约占涡流冷却推力室圆柱段半径的86%,燃烧区域约占涡流冷却推力室圆柱段半径的70%.分析表明:外层涡流主要受来流速度与涡流冷却推力室几何参数影响,内层涡流在黏性、燃烧等作用下室压、密度稳定.侧壁温度平均为388K,比冲效率达92%以上,仿真结果与试验对比一致.      

固体火箭发动机涡声耦合特性数值研究

为了揭示固体火箭发动机内涡/声耦合机理,以VKI实验发动机为基础,使用大涡模拟方法,对不同温度下障碍物旋涡脱落诱发的振荡流场开展数值研究,获得了燃烧室内速度分布以及压力振荡的频率和幅值,并和实验数据进行了对比。结果表明,旋涡脱落频率与某阶声振频率相等不是涡/声耦合的必要条件;速度幅值对旋涡脱落频率的影响是主要的;平均马赫数对旋涡脱落频率的影响不大,对压力振幅的影响显著。     

减压腔宽度对刷式密封泄漏特性和滞后效应的影响

对减压腔轴向宽度分别为0、04 mm和06 mm的基本型和两种低滞后刷式密封结构进行了静态和动态下压差升降和转子转速升降循环试验,并对其泄漏特性和滞后效应进行了研究。研究结果表明:压差大于02 MPa后,同一压差下的动态泄漏系数比静态降低约14%~20%;低滞后结构的密封性能优于基本型,其泄漏系数最高比基本型降低约20%;静态压差升降循环中,减压腔轴向宽度为06 mm的低滞后结构的滞后效应最强;动态的压差升降循环中,基本型结构的滞后效应最强。转子转速升降循环前后,w为06 mm结构泄漏系数减小约15%,滞后效应最强,减压腔轴向宽度为04 mm结构几乎不存在滞后效应;三种结构中,减压腔轴向宽度为04 mm的结构密封性能最优,滞后效应也最弱。     

Numerical evaluation of acoustic characteristics and their damping of a thrust chamber using a constant-volume bomb model

In order to numerically evaluate the acoustic characteristics of liquid rocket engine thrust chambers by means of a computational fluid dynamics method, a mathematical model of an artificial constant-volume bomb is proposed in this paper. A localized pressure pulse with a very high amplitude can be imposed on specified regions in a combustion chamber, the numerical procedure of which is described. Pressure oscillations actuated by the released constant-volume bomb can then be analyzed via Fast Fourier Transformation (FFT), and their modes can be identified according to the theoretical acoustic eigenfrequencies of the thrust chamber. The damping performances of the corresponding acoustic modes are evaluated by the half-power bandwidth method. The predicted acoustic characteristics and their damping for a special engine combustor agree well with the experimental data, validating the mathematical model and its numerical procedures. A small-thrust liquid rocket engine chamber is then analyzed by the present model. The First Longitudinal (1L) acoustic mode can be excited easily and is hard to be damped. The axial position of the central constant-volume bomb has little influence on the amplitude and damping capacity of the First Radial (1R) and 1L acoustic modes. Tangential acoustic modes can only be triggered by an off-centered constant-volume bomb, among which the First Tangential (1T) mode is the strongest and regarded as the most harmful one. The amplitude of the 1L acoustic mode is smaller, but its damping factor is larger, as a constant-volume bomb is imposed approaching the injector face. These results are contributed to evaluate the acoustic characteristics and their damping of the combustion chamber.     

Numerical investigation on characteristics of CH4/H2O/CO2 reforming reaction in presence of 02 in micro-annular chamber

基于表面反应详细机理,数值研究了微环形腔内有氧条件下,组分、温度、质量流量对甲烷／水／二氧化碳催化重整反应特性的影响．结果表明：低温下,增大水的含量可提高产氢量,而增大二氧化碳含量对产氢量无明显影响．增大二氧化碳或水的含量,可提高甲烷转化率．低温下二氧化碳、水等组分的改变对甲烷重整反应的影响较小,高温下组分的影响增强．质量流量增大,出口氢气、一氧化碳质量分数和甲烷转化率明显降低．高流量下加入水或二氧化碳对甲烷转化率的影响已不再明显．当水（二氧化碳）作为产物时,质量流量的增大对其影响并不大;而做为反应物时,质量流量增大,使出口处水（二氧化碳）的质量分数升高．     

气气喷注器推力室传热特性研究

设计了单喷嘴气气喷注器容热式推力室,进行了0.92～6.1 MPa范围内7个燃烧室压力工况,共17次热试车;采用壁面测温方法获得推力室沿轴向方向的内壁热流分布,得到各室压工况下燃烧室内壁热流分布曲线,不同工况的热流曲线显示出相似的分布;并从中分离出对流传热热流,得到对流传热热流与室压的关系。为拓展范围,采用多组分湍流N-S方程描述推力室内燃烧流动,采用6组分9步反应模型来描述氢氧反应,反应速率由Arrhenius公式计算,进行了5～20 MPa更高室压范围内的燃烧内流场的数值模拟,并耦合计算了各工况燃气与室壁之间的传热,获得了与试验相同规律的结果。     

膨胀循环推力室再生冷却换热的数值模拟

为了解液体火箭发动机膨胀循环推力室再生冷却换热特性,采用数值模拟方法,研究了冷却剂流动方式、推力室圆柱段长度、圆柱段室壁加肋和气壁面粗糙度等因素对冷却通道压降、冷却剂温升、壁面热流密度和温度分布等换热特性的影响.计算过程中采用k-ε双方程湍流模型.计算结果表明:采取顺流冷却要比逆流冷却的冷却通道压降低,但同时冷却剂温升也低;对于室壁加肋结构,在肋个数相同而只改变肋高度的情况下,总换热量正比于总换热面积.      

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

加力燃油泵压出室非设计工况内流特征数值模拟

针对某型航空发动机加力燃油泵隔舌空蚀破坏,采用滑移网格技术模拟泵内非定常流场,揭示了压出室在典型非设计工况下的内流特征,研究了隔舌处的空化机理.计算结果表明:大流量工况,扩散管锥形段存在大小两个分离涡,而环形腔室隔舌段燃油以相切方式流经隔舌壁面,无明显流动分离,不会发生空化;而小流量工况,扩散管锥形段内两分离涡扩展到大部分区域,右半侧部分阻滞燃油在反向流向涡作用下,绕流隔舌上部,在隔舌下游形成了明显分离涡,导致隔舌壁面静压急剧降低,进而引发空化,产生空蚀破坏.      

喷嘴对供应系统到燃烧室压力振荡传递幅频特性的影响

从理论上分析了压力振荡由供应系统到燃烧室通过喷嘴的传递过程,推导了振荡传递过程的传递函数.讨论带有各种喷嘴的燃烧室的动态特性,对供应系统、燃烧室压强、喷嘴种类及喷嘴结构尺寸对供应系统压力振荡引起燃烧室压力振荡的影响进行了计算,得到了喷嘴在传递过程中的影响规律.      

环形腔室径向宽度对加力燃油泵内流及性能影响

对某加力燃油泵内部非定常流动开展了系统的数值模拟,研究了不同环形腔室径向宽度条件下泵的外特性和内流特征.计算结果表明,缩小径向宽度可有效提高泵在不同流量下的扬程,且小流量工况增幅显著高于大流量,明显改善了小流量工作的不稳定性.对于大流量工况,环形腔室截面变小导致腔室内循环流量降低、沿程损失明显减小,是泵出口扬程提高的主要因素;而对于小流量工况,环形腔室截面变小使得扩散管主流贴近环形腔室,显著降低了叶轮流道扬程损失,有效提升了泵出口扬程.      

轴承腔内壁与油膜换热的数值模拟与试验

航空发动机后轴承腔内壁与滑油的换热分析是轴承腔热防护结构设计的基础。对航空发动机轴承腔内壁换热模拟试验件开展试验与数值模拟研究,得到了滑油油膜对轴承腔内壁的换热影响。通过测量试验件外壁面、内壁面以及滑油油膜的温度得到了试验件内壁面换热热流密度与换热系数的分布;结合CLSVOF(Coupled Level Set and Volume Of Fluid)油/气两相流以及热-流-固耦合计算方法对试验件进行了换热分析,并将内壁对滑油的局部热流量的计算结果与试验结果进行了对比,结果显示两者在各个工况下均吻合较好。通过将局部换热系数计算值与当地的滑油流动雷诺数Rel进行对比分析,结果显示内壁局部努赛尔数Nuw与Rel的0.7次方成正比关系。另外,对转速对换热的影响进行分析得到Nuw与旋转雷诺数Re_(rot)的0.345次方呈正比关系。     

排气扩压器对高空舱压的影响与控制方法

为研究排气扩压器流动特性对高空舱后舱压力控制的影响,采用ANSYS19.1对排气扩压器进行数学建模和流场数值模拟分析,揭示其内部实际流动的物理过程;在次流质量流量为20kg/s时,数值模拟不同排气扩压器背压和主流流量时后舱压力的变化规律,并通过样条插值得到排气扩压器背压、主流流量和后舱压力三者关系模型;建立高空舱后舱压...     

冷却剂不同流动方式对膨胀循环推力室再生冷却换热的影响

为了解液体火箭发动机膨胀循环推力室再生冷却换热特性,对某一参考发动机推力室和另外两种面积比的膨胀循环推力室建立三维计算模型,采用数值模拟的方法,考察冷却剂的温升、冷却通道压降以及推力室内壁面温度和热流密度的分布情况.重点比较了不同燃烧室圆柱段长度、冷却剂不同流动方式以及不同面积比对以上结果的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:采用逆流冷却时,通过加长推力室圆柱段长度使推力室受热面积增加70%后,冷却剂温升提高了一倍左右;对膨胀循环推力室进行再生冷却时,采用顺流冷却要比逆流冷却的冷却通道压降低,但同时冷却剂温升也较低,并且对喉部壁面的冷却效果较差.