爆震发动机超声速进气道的非定常耦合流场数值研究

采用带化学反应的非定常数值仿真方法,对爆震发动机(PDE)内进气道、燃烧室、尾喷管的耦合流场进行了分析,并着重研究了爆震压力波及其反射波对超声速进气道内流动结构的非定常干扰过程,对比了3种进气道/燃烧室耦合方式下进气道流动特性的差异.结果表明:通过在燃烧室内填充以化学恰当比预混的燃料和氧化剂,数值仿真可获得稳定自持的爆震波.在爆震波压强作用下所产生的结尾波系和反射激波会发生耦合干扰作用,它们在流道内的运动传播影响了结尾波系的前传幅度.通过对比不同进气道/燃烧室耦合方式的流场特征发现:采用突扩式进气道/燃烧室连接段可利用燃烧室头部固壁的阻碍以及其对爆震高压波的反射作用将大部分的压缩气体存储于燃烧室内,进而减弱进气道与燃烧室之间的耦合干扰作用,对提高进气道的工作稳定性有利.另外,内凹式燃烧室头部段的引入还为压缩气体提供了额外的存储空间,故可以进一步缓冲爆震高压,提高进气道的稳定工作裕度.      

超燃进气道激波/湍流边界层干扰

针对超燃进气道湍流边界层/激波干扰引起的分离问题,采用基于5阶WENO数值格式的大涡模拟(LES)方法开展流场湍流非定常预测,旨在分析进气道湍流化技术实现进气道起动的可行性。研究表明,平板激波/湍流边界层干扰(STBLI)问题,LES方法能够清晰、可靠预测反射、分离激波形成过程及激波与充分发展湍流边界层的相互干扰,定量结果与试验一致;进气道研究方面,层流状态下,激波干扰产生强分离,导致进气道堵塞,而采用湍流化控制后试验和计算均表明流场分离明显减小,流场稳定且无明显堵塞现象,进气道可以起动,总压恢复系数达到要求,该结果表明,利用强湍流化减弱分离,实现进气道起动思想是可行的。      

某型飞机/发动机一体化性能计算

研究了飞机/发动机一体化性能计算模型,并开发了一套相应的可视化计算软件.计算模型包括发动机非安装性能计算模型,进气道、尾喷管/后体特性转换模型,安装性能计算模型以及飞机性能计算模型.根据进气道、尾喷管安装特性法(INSTAL),利用进气道、尾喷管/后体特性转换程序求出实际的进气道、尾喷管安装特性,结合非安装性能计算程序,计算了发动机安装性能,并在此基础上计算了飞机性能.该软件已用于某型飞机的一体化性能计算,使用结果表明:①与经验公式法相比,采用INSTAL所得发动机安装性能估算结果与资料值接近程度普遍提高,最高可提高13%;②该软件计算结果合理,计算所需时间短,计算精度较高.      

主燃孔射流对模型燃烧室流动及燃烧影响的数值研究

数值研究不同主燃孔射流对模型燃烧室内湍流流动与液雾燃烧全流程流场的影响,采用微分方程和分区相结合方法生成包括突扩扩压器、帽罩、双级轴向旋流器、火焰筒及内外环通道的模型燃烧室三维结构化网格;在任意曲线坐标系下采用多区域耦合法计算模型燃烧室的流场.采用RNG(re-normalization group)k-ε湍流模型,旋涡破碎湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程;颗粒轨道模型模拟两相流动.计算结果与试验数据的比较表明:本计算方法与数学模型适用于预测模型燃烧室湍流冷、热态流场;主燃孔结构参数变化对气流温度分布的影响比对回流区尺寸与速度分布的影响更为明显,其中主燃孔Ⅱ的出口温度分布要比其他主燃孔的出口温度分布更为合理.     

两级入轨运载器RBCC动力系统内流道设计与性能计算

针对以火箭基组合循环(RBCC)发动机作为水平起飞两级入轨(TSTO)运载器第一级动力系统的方案,建立了进气道-燃烧室-尾喷管一体化流道耦合性能快速计算模型,初步设计了RBCC发动机一体化内流道。RBCC发动机使用变结构进气道,采用支板/凹腔相结合实现火焰稳定的燃烧室以及单侧膨胀尾喷管;应用经过校验的性能分析模型进行RBCC燃烧室性能快速计算;对比分析了性能分析模型与三维数值计算获得的发动机出口状态参数对于飞行器后体流场的影响性;完成了RBCC为动力的两级入轨方案飞行器动力系统的性能分析与计算;分析评估了飞行弹道条件下RBCC推进系统的性能。计算结果表明:飞行器起飞质量280t时,可以完成运送4t载荷进入近地轨道的任务。     

弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性研究

为研究内转式进气道前体压缩激波与机体边界层之间的弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰现象,对矩形捕获型线、直母线圆锥基准流场生成的内转式进气道压缩型面进行简化,并利用数值仿真方法对简化模型进行计算,分析并对比了非耦合和耦合情况下弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性.结果表明:非耦合模型所形成的分离区呈弯刀形,分离区...     

超燃冲压发动机总体化性能分析

针对由后掠侧压进气道、矩形燃烧室和后掠侧板尾喷管构成的超燃冲压发动机模型,为了快速准确得到超燃冲压发动机的整机性能,建立了一套分析发动机总体性能的耦合流场计算方法。其中进气道和尾喷管流场分别求解三维单一气体和多组分抛物化N-S方程,燃烧室流场求解一维N-S方程,各部件在交接面处传递几何和流动参数。运用总体性能计算方法,研究了发动机构型的气动特性,给出了飞行高度、马赫数和攻角改变对发动机性能的影响规律。结果表明:该总体性能计算方法可用于超燃冲压发动机总体性能的快速预估;飞行高度对推力、升力和俯仰力矩的影响均较大且程度相近,三者随飞行高度增加均减小;飞行马赫数对发动机推力、升力的影响相近,对俯仰力矩的影响最大,三者随飞行马赫数增加均增加;飞行攻角对升力的影响最大,俯仰力矩次之,对推力的影响最小,随飞行攻角增加,发动机升力近似线性增加,推力和俯仰力矩分别呈增加和减小趋势。     

超燃冲压发动机隔离段流动特性研究

隔离段是双模态超燃冲压发动机实现双模态和模态转换的一个重要部件,同时它把进气道和燃烧室隔离开,以防止燃烧室工作对进气道干扰,引起进气道不启动。由于隔离段内流场的复杂性及其广泛的工程应用前景,隔离段内的流动特性引起了人们广泛的关注。本文利用计算流体力学软件Fluent,采用k-ε湍流模型,近壁面采用非平衡壁面函数方法处理,控制方程的离散采用二阶迎风格式,对隔离段的流场进行了数值模拟,并分析了出口反压、来流马赫数等参数对隔离段内流场的影响。     

非均匀入口与化学非平衡效应对尾喷管性能的影响研究

基于煤油燃料超燃冲压发动机尾喷管,对均匀入口和非均匀入口、冻结流动模型和化学非平衡模型下的尾喷管内流动进行数值模拟,采用两方程RNG k-ε湍流模型对三维NS方程组进行求解,获得非均匀入口与化学非平衡效应对尾喷管性能的影响。计算结果表明,尾喷管内流动非均匀性由尾喷管非对称膨胀和燃烧室出口非均匀等因素构成,尾喷管入口流动参数非均匀分布对尾喷管推力、升力及俯仰力矩均有影响,算例中非均匀入口使得尾喷管净推力相对于均匀入口增加了1.2%左右;尾喷管性能受化学非平衡效应的影响,非平衡流动模型下的其净推力计算结果相对于冻结流动模型增加3%~4%。     

三维加力燃烧室湍流流场的数值模拟

采用SIMPLE方法,对涡扇航空发动机加力燃烧室内无化学反应的湍流流场进行了数值模拟。该加力燃烧室带有波瓣型混合器,并有多个环形稳定器及径向稳定器。湍流模型采用kε双方程模型。湍流流场数值计算结果合理。     

双旋流器燃烧室NOx生成研究

通过试验和数值模拟方法研究不同进口油气比与温度以及主燃孔布局变化对双旋流模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度丁以及污染物NO_x排放的影响.采用二维粒子图像测速仪(PIV)测量燃烧室内热态流场,用多点温度耙和取样管测量燃烧室出口温度T与NOx在非结构网格体系下,采用Fluent商业软件对燃烧室三维两相燃烧流场和NO_x分布进行计算.计算结果与试验数据符合较好,表明不同油气比、进气温度和主燃孔布局变化对模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度T与NO_x排放都有一定的影响,并随着油气比与进气温度增加,燃烧室出口温度T与NO_x排放也相应地提高.      

旋流突扩燃烧室中回流区的嵌套结构

本文探讨了一种综合旋流器和钝体结构特点设计的新型旋流室,并对双股同轴中心旋流突扩燃烧室模型进行了冷和热态试验。试验结果揭示了一个新的物理现象,即旋流器造成的旋流室回流区与钝体形成的突扩燃烧室中心回流区嵌套在一起。热态初步试验表明,该现象的存在能提高突扩燃烧室贫、富油工况的燃烧效率.      

后掠压缩斜板进气道进口流场数值研究

对一种后掠压缩斜板进气道(Caret进气道)的进口激波结构、进口流动对管道后部流场的影响进行了数值分析,对进口倒圆修形的影响、激波覆盖面也进行了讨论。数值模拟采用N-S方程和标准k-ε模型加壁面函数方法。计算结果表明:超音速情况下,由于进口存在较强的正激波,进口斜激波强度的不均匀性,对管道内部流动看不出有明显的不利影响;但两压缩面交角处的流动对管道后部流场有较大的影响。      

Recent experience with different turbulence models applied to the calculation of flow over aircraft components

An evaluation of ten turbulence models is made for compressible flows encountered in current aircraft applications. The Baldwin–Lomax and P.D. Thomas algebraic models, the Baldwin–Barth and Spalart–Allmaras one-equation models, five low-Reynolds-number k– models and the Menter SST blended k–/k–ω model are examined. A zonal, upwind, implicit, factored algorithm is used to solve both the mean flow equations and the turbulence model equations for three-dimensional, compressible turbulent flow. Calculations are presented for both internal and external flowfields including a two-stream mixing layer, a supersonic flat-plate boundary layer, a transonic supercritical airfoil, a shock wave/turbulent boundary layer interaction, an ejector nozzle, a highly offset diffuser, and a twin impinging jet flowfield. The influence of two modifications to the production of turbulent kinetic energy for the low-Reynolds-number k– models is evaluated, a vorticity-based strain rate and a production limiter. A compressibility correction for high speed shear layers is also examined. Comparisons of the results of the various turbulence models are made with experimental measurements. Significant differences are observed in the model predictions when applied to the same problem using the same computational mesh and mean flow solver. The algebraic models are unable to capture the physics of these complex flowfields, particularly for the internal flow calculations. The performance of each model is dependent on the application. No universal model is found for all flowfields examined. Each one-equation and two-equation model has specific strengths and weaknesses and the performance of each model is assessed.     

双管头部进气旋流-突扩燃烧室冷态流场研究

本文对双管头部进气旋流-突扩燃烧室模型进行了冷态流场试验研究,以探索进气方式(全旋型或部分旋型)、旋流强度(旋流数S或旋流角(?))、旋流室出口扩张角2α、旋流室长径比l/d、内通道相对面积F等参数对燃烧室流场结构的影响规律.结果表明,适当选择燃烧室结构参数可以在燃烧室中形成稳定的中心回流区和头部旋涡回流区.当(?)=45°、α=15°、l/d=1.3、F=0.41时,除了形成旋流室回流区外,在其尾部还形成了一个较大的、切向分速较低的中心回流区,两者“联串”在一起.部分旋的中心回流区长度与相同旋流角全旋进气时的回流区长度几乎相等,但总压损失却降低63.4%.     

地面燃气轮机单管燃烧室流量分配试验

对设计的100kW地面燃气轮机单管燃烧室空气流量分配进行了试验研究。在常压环境下采用堵孔法分别得到了旋流器、主燃孔和掺混孔的流量特性曲线,分析得到燃烧室不同结构的流量系数;试验研究了不同进口流量条件下燃烧室的流量分配,测量得到了燃烧室总压损失。研究发现:随着进口空气流量的增加,燃烧室的流量分配比例基本保持稳定,并且与燃烧室的设计空气比例基本吻合;随着燃烧室进口流量（雷诺数）的增加,旋流器、主燃孔和掺混孔的流量系数呈线性降低;随着进口流量（雷诺数）的增加,燃烧室总压损失逐渐增大;对主燃孔和掺混孔的流量特性测量中,两种测量方法得到的试验结果稍有差别,总体上看两种测量方法的试验结果较为接近。通过对比分析证明两种试验测量方法真实可靠,该研究结果可为100kW地面燃气轮机燃烧室的设计与优化提供依据。      

小发直流燃烧室扩压器和火焰筒匹配的数值模拟

采用数值模拟方法对某小发直流燃烧室扩压器和火焰筒匹配下的流场进行了计算和分析,用双方程k-ε模型描述紊流特性,用二步化学反应模型模拟化学反应,用空气流量分配作为火焰筒内外流场联合求解的桥梁,引入边界结点类型说明数组帮助复杂边界条件的处理。计算结果表明燃烧室环腔间形成两个强烈的回流区,内、外环腔流场极不对称,并且具有较强的三维性;前置扩压器倾斜角度是影响燃烧室流场和性能的最重要因素。      

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

带支板的冲压燃烧室的燃烧性能研究

应用含组分守恒方程的质量平均Navier-Stokes方程和B-L代数湍流模型,数值模拟了带支板引射器的模型燃烧室内部的流场结构,对比研究了燃料注入角度对燃烧及发动机性能的影响.在计算过程中,对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的AUSMPW格式,对扩散项采用了二阶中心差分离散.研究结果表明,燃料有角度注入改善了燃料的混合性能,强化了燃料的燃烧效率,提高了发动机燃烧室的动量增量.此外,燃烧室的性能研究需考虑燃烧效率、总压损失及动量增量等因素.     

一种进气道流场畸变模拟装置的研究

提出了一种用于进/发匹配的畸变模拟板与紊流发生环组合畸变模拟技术,根据该技术所设计的畸变模拟装置由可调节角度的模拟板以及可换装的紊流环组成,轴向长度仅等于通道截面一倍当量直径。通过实验研究得到了可调畸变模拟板与可换紊流发生环的几何设计参数及其组合状态下的气动性能变化规律,为该组合模拟技术的进一步运用打下了基础。