超燃燃烧室一维流场分析模型的研究

对公开发表的用于超声速燃烧流场分析的几种一维模型进行了研究，指出了其中存在的问题，研究结果表明：基于实验静压数据的一维模型，若不借助必要的流场测量数据或分析结果，或借助于经验性的处理方法，单靠一维假设，无法获得较为完整的一维流场分析结果。改进后的一维模型降低了数据处理过程中的不确定性，提高了对一般情况的适应能力。用编制的计算程序SSC-2对两组典型的超燃燃烧室壁面静压实验数据进行了演算，取得了燃烧室出口总压恢复系数的计算值与测量值基本一致的好结果。     

高超声速粘性激波层高雷诺数流场的数值求解方法

本文将拉伸变换引入Hosny的高超声速粘性激波层的数值求解方法中,数值计算结果与Little所给出的实验结果相符合。从而不论在雷诺数范围上,或在后身流场的推进计算上,本方法均比Hosny原方法有明显改进。     

联合使用激波捕获—拟合法求解激波间断的跨声速流场

吸取激波捕获和激波拟合两种方法各自的优点,发展了一种求解有激波的跨声速流场的方法,并对回转叶栅中定常跨声速流场做了计算。计算中,通过捕获法确定初始激波位置,然后经反复修正,拟合出确定的流场通道激波。计算表明,这种方法可自动获得清晰的激波,流场中气流各参数分布合理。这一方法可适用于复杂边界和不同进口M数,计算时间仅比势函数方法多一倍左右。     

激波串与进气道肩部分离泡相互作用

针对高超声速进气道激波串与肩部分离泡相互作用时的流动振荡问题,在来流马赫数为6的激波风洞中,采用高速纹影拍摄结合壁面动态压力测量,研究了有/无抽吸情况下激波串与肩部分离泡的相互作用过程。结果表明：当激波串前移至肩部附近时,有抽吸进气道也会产生大尺度的分离泡,进而有/无抽吸进气道内的激波串均会与肩部分离泡形成耦合振荡,并造成严重的脉动压力。在激波串的推动下,分离泡能够自由地越过肩部凸拐角,使得其自身的低频振荡特性能够显现。激波串内的压力波动会显著改变分离泡的形态,而分离泡形态的变化又会影响激波串内的压力,两者相互耦合从而维持这种低频振荡。无抽吸进气道具有相同的低频耦合振荡特性;而抽吸缝阻碍了上下游的信息传递,使得有抽吸进气道的分离泡低频振荡显著,而激波串振荡具有一定的宽频特性。经分离激波振荡范围和进气道入口速度无量纲后,有/无抽吸进气道低频耦合振荡的St均处于0.011～0.021,与经典分离泡的低频振荡特性相当。     

固定壁面激波控制技术的研究进展

固定壁面激波控制技术在进气道特性调节、飞行器气动力控制等方面有着重要的应用前景,对该领域的研究进展进行了综合分析。从工作原理来看,目前的固定壁面激波控制原理主要包括局部能量添加、局部质量添加、直接力控制三大类,而具体实现方法则有多种,其中近壁等离子放电控制、分布式二次流注入控制、磁流体控制均完成了控制原理验证试验,并获得了较好的控制效果,具有较高的研究价值。并且,基于近壁等离子放电、分布式二次流注入的激波控制技术均已经完成了对应固定壁面可调进气道的风洞试验。然而,各种固定壁面斜激波控制技术离实用还有一定距离,特别是存在高浓度等离子体的低功耗产生方法、次流/主流混合边界层发展特性等基础性问题需要重点研究解决。     

超声速燃烧的湍流流场数值模拟

选择了6个有代表性的湍流模型,对超声速燃烧湍流流场开展了数值模拟.采用的模型包括5个线性涡粘性模型和1个非线性模型,在非线性模型中同时引入了可压缩修正.数值结果表明,本文发展的数值方法可以成功地应用于求解可压缩、含化学反应的多组分N-S方程.同时引入可压缩性修正的二阶涡粘性模型给出的结果较好.     

双弯曲入射激波的可控中心体内收缩基准流场设计

采用有旋特征线法设计了一种双弯曲入射激波的可控中心体内收缩基准流场,两道入射激波交于中心体起始点,入射激波和反射激波通过给定激波径向总压恢复系数分布进行反设计,壁面通过给定轴向马赫数分布规律进行反设计.该基准流场分为“三波四区”且压缩效率较高.基于该基准流场设计了圆形进口内收缩进气道并进行了黏性修正,数值计算结果表明:内收缩进气道设计点核心区的流场特征和激波形状与基准流场基本一致;在来流马赫数为4.0~7.0时进气道具有较高的压缩效率和良好的流量捕获能力,设计点喉道截面增压比和总压恢复系数分别为17.7和0.729;来流马赫数为5.0~7.0时内部总阻力系数变化平缓,从0.23下降为0.22.      

周期节流扰动下激波串振荡流动的数值模拟

基于动网格方法数值模拟并分析来流马赫数为6,二元进气道/隔离段构型在频率为50～500 Hz周期节流下的激波串振荡流动。结果表明：当节流比在0.2～0.32范围内周期变化时,隔离段出现与节流频率相同的激波串振荡现象。节流频率会影响激波串振荡幅度和壁面压强波动特性。50 Hz与100 Hz工况的激波串流向振幅相近,100～500 Hz范围内随频率增加,流向振幅从15.5 mm减小至10.8 mm。壁面压强随频率的变化规律更加复杂,以凹腔中部为界,其上游壁面压强时均值、均方差峰值整体随频率增加而降低,其中50 Hz工况唇口侧壁面压强均方差峰值可达21倍来流静压,但其下游壁面压强无明显规律。分析表明节流频率对激波串振荡的影响与节流扰动的传播时间相关,工程设计中需综合考虑构型与反压参数对激波串振荡的影响。     

压力恢复系统扩压器激波串现象的数值模拟

通过求解由S-A一方程湍流模式封闭的三维雷诺平均Navier-Stokes方程,采用有限体积方法对激光器压力恢复系统变截面扩压器常温状态下的三维流场进行了数值模拟.数值计算和实验符合良好,较好模拟了扩压器中由激波/边界层干扰诱导的复杂流场的流场特性并再现了流场中的"激波串"和"伪激波"现象.本文对激波串的形成机理进行了分析,发现了几种变截面扩压器特有的激波串结构,并研究了扩压器扩张角对扩压效率的影响.     

基于三维特征线理论的曲面激波流场反设计方法

激波流场反设计技术是高超声速乘波布局设计领域的核心技术之一。为了克服传统吻切理论在设计全三维曲面激波流场时的缺陷,本文提出了一种基于三维特征线理论的设计方法。该方法构造了一种包含四条马赫线和一条流线的三维基本单元,发展了用于设计曲面激波流场的阵面推进方法及并行加速方法。通过对Euler方程中微分算子进行特征分解,重构了流场的控制方程,并提出了适用于求解该控制方程的Tikhonov-Lagrange拟合法,实现了三维流场的稳定求解。利用提出的设计方法,分别对高马赫数圆锥激波流场、椭圆锥激波流场、小攻角来流下的圆锥激波流场及由Bezier曲面描述的一般性曲面激波流场算例进行了设计,并与数值模拟结果进行了对比。计算结果表明,当前设计方法实现了对横向压力梯度及攻角引起的三维流动效应的合理求解,其中典型截面的壁面压力及马赫数分布与数值模拟结果相比误差分别小于0.3%和1.7%,且具有较高的并行效率。该设计方法拓展了特征线理论在全三维激波流场反设计领域的应用范围,在高超声速全三维乘波布局设计领域具有重要发展前景。     

超燃燃烧室流场计算方法比较分析

采用准一维流动模型、轴对称方程、三维数值模拟方法结合13组分、32反应氢燃料反应机理计算了"等直段+扩张段"燃烧室内超声速燃烧问题.结果表明准一维流动模型与三维数值模拟方法的计算结果反应了主要气动参数变化规律;除预燃激波串区域外,计算数据与试验数据吻合良好;准一维流动模型计算快速、适应性强;三维数值模拟方法给出了详细流场细节,所需计算时间长.针对两种模型特点,在超燃燃烧室设计过程中应有机结合协同工作.      

湍流燃烧模型对氢燃料超燃室流场模拟的影响

采用化学平衡的假定概率密度函数(PDF)模型和火焰面模型计算了德国宇航研究中心的超燃室反应流,计算结果与有限速率反应模型的和实验的结果进行了对比.使用有限体积法离散Favre平均的N-S方程,湍流模型采用k-ε模型.研究表明:(1)有限速率反应模型在喷氢孔近场,化学平衡的假定PDF模型在喷氢孔远场不能准确捕捉流场的细致结构,而火焰面模型对全流场预测较好,后两种模型的计算时间较有限速率反应模型节省约38%;(2)超燃室内湍流和燃烧相互作用不可忽略,从预测精度和计算效率来看,火焰面模型有较好的工程应用前景.      

液体煤油超声速燃烧数值分析的湍流模型

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态燃烧室内的喷雾燃烧进行了数值模拟。采用k-ε三种形式、k-ω两种形式和雷诺应力湍流模型,计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0.551时的情况。通过将数值模拟结果与实验数据进行对比,证明这些湍流模型都可用于煤油超声速燃烧的数值计算。并且,k-εRNG模型和k-ωSST模型的计算结果与实验数据最为接近,可以认为这两个模型在模拟煤油超声速燃烧流场中是非常有效的;而雷诺应力模型效果较差。     

碳氢燃气超声速剪切流动燃烧数值模拟

数值模拟碳氢富燃燃气与空气二维超声速剪切流动的湍流燃烧.NND对流项差分格式高精度捕捉激波, B-L和普朗特混合长度模型模拟湍流粘性系数, Arrhenius反应动力学公式计算化学反应速率, 模拟非平衡态燃烧.计算的壁面压力值较好地符合了实验值.分析了剪切流驻焰稳定的波系结构, 从预测的流动参数和组分浓度分布判断燃烧状况的好坏, 从而为改善优化燃烧室结构提供工程参考.      

用双流体模型模拟超声速气固两相流动

采用了双流体模型对JPL(Jet Propulsion Laboratory)喷管中气固两相流动以及超声速射流两相流动进行了数值模拟,并研究了可压缩两相流动中气相与颗粒的相互作用规律.自主开发的一般曲线坐标系下二维轴对称可压缩双流体程序Solve2D,对气相求解Navier-Stokes(N-S)方程组,采用k-ε湍流模型,颗粒相求解Euler方程组.对JPL喷管内的两相流场和湍流两相射流流场进行了数值模拟,研究了不同颗粒质量百分数以及不同颗粒直径时的气固两相流场的流动规律.      

超声速气流中的斜激波诱导自点火

在来流马赫数为2.5的条件下对氢气和乙烯燃料的斜激波诱导自点火过程进行了试验研究.采用纹影和高速摄影获得了自点火初始火核的形成和发展过程.试验考察了不同的来流总温、喷注条件、凹腔长度、斜激波强度等因素对自点火过程和点火边界的影响.研究结果表明:入射斜激波能够提高气流的局部参数起到强化自点火的作用.凹腔内形成的低速回流区有助于初始火核形成后的火核逆流传播,并起到防止初始火核因气流振荡而吹脱的稳定源作用.增加喷注压力、增加凹腔长度、提高来流总温有助于自点火的发生.      

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。      

超声速流中三波结构的参数优化研究

对三波结构的参数进行了探讨，给出了在反射激波和主激波后一些气动力变量的比值存在极值，文中称这种结构为优化结构，当给定气流的马赫数时，理论上就可确定优化三波结构的入射激波强度和存在区域，这可为一些超声速气动装置的设计提供参考依据。     

预混超声速气流斜激波诱导脱体爆轰研究

为了研究高静温预混超声速气流中爆轰的机理问题,利用自主设计的连续式加热器来产生马赫数为2.6,静温大于700 K的氢/空气预混超声速气流,并采用高速纹影技术来观测斜激波诱导脱体爆轰的直接起爆和发展的动态过程.研究表明,实验得到的起爆前斜激波和起爆后脱体爆轰波的角度与理论分析结果非常一致.并发现由激波诱导爆燃向激波诱导脱体爆轰的转变过程非常快;而且对于当前初温较高当量比较低的混合物,会出现爆轰波突然熄灭与重新起爆的现象.当前研究为爆轰燃烧在高超声速推进中的应用提供了重要参考.