超声速燃烧斜坡喷注器结构与性能的研究

为了进一步研究斜坡结构特点对超声速流场混合增强作用,设计了膨胀型和压缩型两种斜坡实验件,并分别进行了火焰传播、纹影及油流谱实验。利用数值仿真的方法对斜坡后压力分布、激波间相互作用以及流向涡的卷起过程进行了分析研究,与实验结果对比一致。最后分析了本实验结果与国外相关研究的差异,论证了本文设计的两种斜坡喷注器中膨胀型斜坡有更好的自燃及火焰稳定作用。     

后掠结构对超声速燃烧斜坡喷注器性能的影响

为增进超声速流场中燃料与来流的混合,提高超声速燃烧效率,缩短燃烧室长度,设计了两种结构的斜坡喷注器.并对这两种喷注器进行了纹影、油流谱和火焰传播等实验研究.对比数值仿真结果,分析了后掠角结构对斜坡混合性能影响的机理,发现后掠设计能有效促进流向涡的卷起,并加速燃料喷流柱的抬升过程,这不仅增进了混合,也有效增强了其对火焰的稳定作用.      

障碍物的形状和作用方式对火焰变形影响的实验研究

火焰在障碍物作用下的失稳变形与障碍物的形状、大小以及作用方式有关.本文对火焰以翻越、穿越和绕过等三种方式与不同形状的障碍物相互作用时,火焰的发展变化特性与规律进行了实验研究.本文利用高速阴影照相系统,清晰的记录了不同形状的障碍物以不同方式与火焰作用时,火焰的变形和湍流的猝发,对不同作用方式下,火焰的结构特征进行了分析、比较和讨论.     

受限空间内激波与火焰作用的三维计算

激波与火焰的相互作用常发生在超声速燃烧和燃烧转爆轰过程中,为深入了解这一现象,采用带化学反应的三维Navier-Stokes方程,对平面入射激波及其反射激波与火焰的作用进行了计算研究,其中燃烧过程使用单步反应模型描述。研究结果显示:在受限空间内模拟激波与火焰作用,能更好地符合实验结果,从而体现出受限空间的三维效应;火焰在入射激波的作用下主要经Richtmyer-Meshkov不稳定而发生变形,此时火焰变形以物理作用为主,燃烧膨胀效果相对不明显;当反射激波与变形火焰再次作用后,火焰迅速膨胀变形,放热率维持在较高水平,此时化学反应过程起主要作用;在反射激波的作用下,变形火焰复杂三维涡结构的形成能强化热量与质量的输送,提高燃烧速率。     

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。     

线性塞式喷管型面快速设计方法

为了发展一套快速有效的塞式喷管型面设计方法,分析了塞式喷管的总膨胀面积比、内膨胀面积比和内喷管倾角与塞式喷管膨胀能力之间的联系,采用二阶和三阶多项式来分段描述塞式喷管的所有型面曲线,并给出了确定各段型面曲线的方法。研究了膨胀面积比对外形尺寸的影响,设计了两套不同类型的实验塞式喷管型面来进行冷流实验验证。结果表明:所设计的塞式喷管具有很好的高度补偿能力。     

斜坡限制域对脱体火焰宏观形状和燃烧振荡影响实验研究

燃烧振荡是贫油预混火焰中广泛存在的非定常过程,是燃烧室设计中必须避免的。其中,脱体火焰对降低氮氧化物排放有优势,但其燃烧振荡往往更加严重。本文在中心分级燃烧器中,通过实验方法研究了斜坡限制域对脱体火焰燃烧振荡的被动控制效果。本文通过单反相机和高速摄像获取了火焰平均结构和瞬态图像,并通过相平均图像和本征正交分解研究了火焰动态演变过程。结果表明,当台阶高度为0 mm时,不同斜坡张角的斜坡限制域均能对燃烧振荡起到非常显著的抑制效果。而在30°斜坡张角的斜坡限制域中,随着台阶高度的增加,抑制效果变差,但振幅相较突扩限制域发生了明显的降低。     

采用火焰面/反应进度变量方法模拟湍流燃烧

在自主开发的软件平台上添加了火焰面/反应进度变量方法,选取了两种反应进度变量分别对甲烷/空气的同轴射流燃烧室进行了数值模拟.将计算结果与稳态火焰面模型、文献参考值以及实验值进行了对比研究,结果表明:采用火焰面/反应进度变量方法能捕捉到稳态火焰面模型所不能预测到的火焰抬举等非稳态现象,得到的结果与文献参考值以及实验值出入很小,能准确反应真实的燃烧过程;另外不同反应进度变量的定义对计算结果有较大的影响,采用火焰面/反应进度变量方法对主要中间产物一氧化碳的预测比文献参考值更好,更接近于实验值.      

分级旋流火焰的燃烧不稳定性及火焰动力学

实验研究了贫燃预混分级火焰的燃烧不稳定性和火焰动力学特性。实验是在一个常温常压实验台上进行的,燃料为甲烷。通过对动态压力、热释放速率的快速傅里叶变换(FFT)分析,火焰图像的Abel逆变换、热释放积分、本征正交分解(POD)分析等方法,重点研究了分级比对燃烧不稳定性的影响。实验表明:预燃级燃料比例,对火焰的稳焰机制、热释放分布以及火焰的稳定性有至关重要的作用。随着分级比的提高,火焰由不稳定的脱体火焰或者蘑菇形火焰,变成稳定而紧凑的Ⅴ形火焰,火焰的热释放中心向喷嘴方向前移。POD分析表明,分级比较大时,预燃级火焰通过改善火焰根部的稳焰特性,进而削弱了火焰面周期性的膨胀和收缩,最终抑制了燃烧不稳定性。     

气动斜坡/ 燃气发生器方案燃料掺混性能研究

为了研究气动斜坡喷注器在提高掺混、点火及稳定火焰方面的作用,通过数值仿真方法,对气动斜坡及单孔直喷/燃气发生器2种方案冷流掺混流场进行了对比研究。结果表明:气动斜坡方案在燃烧室中能形成更强、更复杂的流向涡结构,对增进燃料掺混作用明显;在燃烧室后半段2种方案羽流面积相差不大,但是气动斜坡方案燃料质量中心在燃烧室中心区域附近,直喷方案燃料质量中心更靠近燃烧室上壁面,气动斜坡方案燃料分布更加均匀,到燃烧室出口处,掺混效率比直喷方案的高约10%;与直喷方案相比,气动斜坡方案对主流的影响更小,总压恢复性能优于直喷方案的,在燃烧室出口处,总压恢复系数比直喷方案的高约10%。     

斜坡增强混合的数值研究

采用隐式方法求解三维可压Ｎ－Ｓ方程及组分方程,数值模拟了后掠、无后掠斜坡的混合增强流场。比较了两种斜坡的混合增强效果及产生的流向涡量的强度。计算结果表明后掠斜坡产生流向涡的强度明显高于无后掠斜坡,其混合增强效果也更好。     

超声速燃烧气动斜坡喷注器研究

为增强超声速燃烧过程的燃料混合,设计了通过喷嘴阵列形成流向涡强化混合的气动斜坡实验件.在直连式实验台上对气动斜坡实验件进行了纹影及油流谱等冷试实验研究.并采用大涡模拟(LES)方法数值模拟了超声速流场中气动斜坡的流动及燃烧特性.结果表明:气动斜坡喷注器的喷嘴阵列设计能有效加速喷流后流向涡的卷起,提高掺混特性;其燃烧过程也能使喷流形成的剪切层上抬,增进混合;由于喷流方向与主流方向夹角较小,总压损失也较物理斜坡、横向喷流等混合增强方式小.      

Analysis of hypersonic compression ramp laminar flows under sharp leading edge conditions

The present work is devoted to reviewing recent cases of shock wave/boundary layer laminar interactions over compression ramps with sharp leading edge (two-dimensional and axisymmetric concave geometries), and to making a contribution to the understanding of the physical features and controlling mechanisms of the flows by means of extensive numerical simulations and comparison with experiments. The most critical aspects of numerical simulations have been identified and attention has been focused on the effects of ramp angle, wall temperature, axisymmetry and finite span. Present compression ramp cases cover a wide range of Mach number and Reynolds number, thus making the analysis reasonably complete. Results are validated in terms of simplified theoretical analysis, comparison with available measurements, and correlation laws describing the characteristic parameters of the problem. It has been shown that mechanical and thermal loads over compression ramps, as well as separation characteristics, depend strongly on ramp angle, wall temperature assumption and geometric configuration. On the other hand, their quantitative prediction depends on grid resolution as well as the correctness of the physical and numerical modeling employed.     

利用上游斜坡改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得气膜孔上游放置斜坡对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法研究了斜坡的台阶高度分别为0.3D,0.5D,0.75D,1.0D和1.5D时不同吹风比下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行对比,以揭示斜坡对气膜冷却效率改善作用的影响机理。研究表明,在气膜孔上游设置斜坡,延缓了主流通过反向涡对对冷却气流的掺混作用,反向涡对强度减弱,冷却气流出流后的贴壁效果更好,提高了气膜冷却效率,随着吹风比的增加,斜坡高度较高时无论是在气膜孔中心线处还是在两气膜孔之间区域的冷却效率值都得到大幅度的提高。     

超音速气流中氢燃料强化混合的燃烧实验研究

扼要介绍了在超音速气流中，采用后掠斜坡、多级喷射、振荡激波技术强化混合的氢燃料喷嘴，进行自点火和燃烧的实验概况。以实验模型结合喷射方式特点，分析了强化机理。实验表明，多级喷射的燃烧效率高，扩张型后掠斜坡喷嘴的抗干扰能力强，总压损失低，液体喷射产生的振荡激波能加强混合，提高燃烧效率。     

后掠角度对超声速混合的影响

通过采用隐式方法求解三维、粘性、湍流 Navier-Stokes方程及组分方程 ,对以氢气为燃料的超燃冲压发动机燃烧室模型进行了数值模拟 ,分析了不同后掠角度对于超声速混合的影响。计算结果表明后掠斜坡产生的流向涡的强度以及混合增强效果优于无后掠斜坡 ,并随着后掠角度的增加而增强 ,但总压恢复系数随后掠角度的增加逐渐降低      

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。     

利用上游沙丘形斜坡增强气膜冷却

在平板上开设单排气膜孔,并通过红外测温法,实验研究了四个典型吹风比(0.5、1.0、1.5和2.0)下圆柱形气膜孔(CH)安置上游沙丘形斜坡(SDR)的绝热气膜冷却效率,并与平直楔形斜坡(SWR)进行了对比,同时结合数值模拟对不同形状的上游斜坡作用机制进行了剖析。研究结果表明：相比SWR,SDR可以诱导出特有的反肾形涡对,因而其在强化气膜冷却方面更具优势。在小吹风比下(吹风比为0.5),SWR和SDR可以分别提高特定区域(孔下游15倍孔径范围内)的面积平均气膜冷却效率达26%和75%左右,在高吹风比下(吹风比为1.5),两者的相对提高幅度分别高达100%和150%左右。