双旋流燃烧室两相喷雾试验和数值研究（英文）

采用粒子场脉冲激光全息技术对航空发动机燃烧室中的雾化场进行了测量,得到了燃烧室中燃油液滴直径的空间分布,从而对燃烧室中的雾化过程进行了研究。自主开发完成了适用于航空发动机燃烧室的三维两相数值计算平台,建立了首次雾化模型和二次雾化模型。基于LISA模型和KH-RT模型,对燃烧室中的首次雾化过程和二次雾化过程进行了数值模拟,得到了燃烧室中液雾的空间分布。通过将计算结果与试验结果进行对比,显示开发完成的雾化模型能很好的模拟高温高压,强旋流条件下航空发动机燃烧室的整个喷雾雾化过程。     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室

在自主开发的软件平台上,采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动,考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中,颗粒相采用LISA一次破碎模型,KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型,湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法,得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时,采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布,并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较,数值计算结果和试验值吻合较好,数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室（英文）

在自主开发的软件平台上,采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动,考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中,颗粒相采用LISA一次破碎模型,KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型,湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法,得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时,采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布,并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较,数值计算结果和试验值吻合较好,数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。     

航空发动机燃烧室光学可视模型试验件及其流场测量研究进展

航空发动机燃烧室内的燃烧组织是高温高压受限空间内多级旋流复杂流场结构的气动、燃油雾化、蒸发、油气混合和燃烧化学反应多场耦合过程,而其流场特性影响雾化和燃烧过程,从而对燃烧室的燃烧性能具有决定性影响。对燃烧室内复杂强旋流流场组织机理的认识和高精度测试一直是发动机燃烧室研制过程中的难点之一。本文针对光学可视模型燃烧室试验件设计方法及典型发动机燃烧室的流场组织机理和特性进行总结,希望给发动机燃烧室研制过程中光学模型燃烧室试验件的设计提供一定的借鉴,深刻认识目前两类典型的传统旋流杯模型燃烧室和基于分区分级耦合燃烧技术的新型燃烧室的流场特性,促进航空发动机燃烧室的研制。     

航空发动机燃烧室湍流两相燃烧模型发展现状

随着计算机、计算机辅助制造等技术的发展,数值模拟逐渐成为航空发动机设计手段之一。航空发动机燃烧室内是复杂的两相湍流燃烧过程,为了准确模拟这一过程,高精度两相湍流燃烧模型组成为航空发动机燃烧室设计师 必要的工具。本文从两相湍流数值模拟角度出发,对概率密度函数输运方程模型、火焰面模型和二阶矩模型这3种常用的燃烧模型的发展现状进行简要综述。     

三维典型超声速燃烧室流场数值模拟

超声速燃烧是实现以吸气式冲压发动机为动力进行高超声速飞行的关键技术之一.本文对三维超声速燃烧室流场进行了基于有限体积方法的并行数值模拟,还对JPNal三维典型超声速燃烧室内的激波诱导燃烧流场进行了数值模拟.控制方程为三维多组元带燃烧反应模型的Euler方程,空间离散采用二阶精度VanLeer迎风通量分裂格式,时间推进为考虑了化学反应特征时间的5步Runge-Kutta方法,燃烧反应为氢气/空气十反应模型.为提高计算效率,采用了基于区域分裂技术的并行计算.最后对比分析了单、双气态氢气喷流对燃烧室内流场结构及燃烧特性的影响.     

燃气二次喷射对推力矢量控制发动机内流场的影响

采用准一维非定常N-S方程对固体火箭发动机燃气二次喷射推力矢量控制过程进行数值仿真,研究燃气引出和燃气二次喷射对发动机燃烧室及喷管内流场的影响。重点研究了燃气引出对燃烧室压强波动的影响并对其形成机理进行了初步分析。结果表明,燃气二次喷射推力矢量控制工作过程中,燃烧室压强波动很大,速度在一定程度上脉动,温度基本上不受影响。由于高温高速二次燃气的加入,喷管扩散段二次喷射孔附近及其下游喷管内压强、速度和温度有明显的变化。     

基于蒙特卡洛方法的冰晶撞击特性计算

航空发动机摄入冰晶易发生内部结冰、造成发动机推力损失,严重时引发航空事故。冰晶结冰数值模拟是研究冰晶结冰的重要手段,而撞击收集系数计算是冰晶结冰数值模拟的关键环节。基于NNWICE平台开展冰晶结冰前期的阻力系数、运动轨迹和撞击收集系数的数值模拟与计算研究,实现了基于蒙特卡洛方法的冰晶撞击收集系数的准确计算;在此基础上发展了拉格朗日框架下冰晶粒子运动、传热传质耦合数值计算方法;通过完成二维NACA0012翼型的相关算例,对比分析了不同阻力模型和冰晶相变对撞击收集系数的影响。结果表明阻力模型对冰晶撞击收集系数影响较小,冰晶相变过程会对冰晶运动轨迹及撞击收集系数产生显著影响,为进一步发展冰晶结冰数值模拟计算方法奠定了基础。     

二阶矩-EBU模型用于两相反应流场的数值模拟

采用RNG k-ε紊流模型模拟紊流粘性,二阶矩-EBU紊流燃烧模型计算燃烧速率,六通量热辐射模型考虑辐射传热对两相反应流场的影响,在任意曲线坐标系下对航空发动机环形燃烧室三维两相反应流场进行数值研究。气相流场采用P ISO算法求解,液相采用颗粒轨道模型,并用PS IC考虑气液两相的耦合影响。对两种燃烧室的流场进行计算的结果与实验数据对比,表明该计算方法可靠,可为燃烧室性能的改善提供有用依据。     

高超声速进气道流场的数值模拟

运用自主开发的数值模拟软件对高超声速进气道复杂内流场计算进行了数值模拟,以验证其对高超声速进气道流动模拟的适用程度。通过某二元高超进气道模型内流场,德国RWTH Aachen所公布的高超进气道模型内流场计算,对该软件描述高超声速进气道内波系反射相交、激波/边界层干扰、高反压下隔离段内激波串等复杂流动现象的能力进行了考核与分析。计算结果表明该软件能够描述高超声速进气道内复杂的流动现象,即使在进气道承受高的燃烧室反压时,仍具有较高精度。但该软件中的紊流模型不能较好地预报边界层分离,特别是对分离区的大小及其诱导激波的强度等的预测存在一定的误差,因此需要进一步的改进和完善。     

液体轴对称抛撒破碎和雾化的实验研究

对静止空气中液体轴对称抛撒的首次破碎及二次破碎进行了实验研究,通过纹影装置获得其首次破碎及二次破碎发展过程的纹影照片,通过激光散射粒子直径测量仪获得了二次破碎所形成雾化场的Sauter平均直径(SMD)随时间和空间的分布.实验结果表明,由于"Rayleigh-Taylor不稳定性"的发展,在液体抛撒所形成液核的前端发生了具有波浪形的首次破碎,首次破碎所形成球形液体颗粒的直径与发生首次破碎的液核前端的液体薄层厚度基本相当.由于不同直径液体雾滴的速度弛豫时间的差异,导致二次破碎后的雾化场具有大雾滴在前、小雾滴在后的特征.同时,由于实验液体具有高挥发性,导致与轴线的距离超出某一范围后,二次破碎所形成的雾化场又会出现雾滴的SMD随距离的增加而逐渐减小的趋势.     

离轴全息成像测量三维气动旋流低温雾化场

为研究低油温工况下气动旋流雾化喷嘴近场雾化特性,建立了25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统,对1 kPa气压、0.03 MPa油压和–40～28 ℃油温工况下喷嘴下游30 mm内近场雾化过程进行了三维可视化测试。实验获取了包含非球形液滴的近喷嘴雾化场清晰图像,记录了液膜袋状破碎与液丝分解等典型雾化动态过程。通过颗粒识别与定位,获取了雾化场中尺寸30～1500 μm的液滴粒径及三维位置,统计得到雾化场索特平均直径（SMD）的三维分布信息。研究发现:在气压1 kPa、油压0.03 MPa工况下,液滴粒径主要分布在200 μm以内,其中30～40 μm粒径占比最高,均在15%以上;三维粒径分布表现为雾锥中央粒径较大,边缘区域粒径较小;油温降低对雾化效果恶化显著,使雾锥体积缩小、雾化液滴密度降低且均匀性下降;油温从28 ℃降至–20 ℃时,下游截面中心粒径从300 μm左右增大至450 μm以上,局部大于650 μm;–40 ℃时,喷嘴下游出现大型液柱与多枝状液膜、液丝结构,燃油分解破碎距离进一步延长。实验结果证实了高速离轴全息技术在低油温工况下喷嘴近场雾化特性三维可视化诊断中的可行性,获取的雾化场三维参数可为喷嘴结构设计优化及雾化模型研究提供数据参考。     

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布.结果发现:增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布.该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据.     

结冰风洞试验段水滴分布特性分析

喷雾系统是结冰风洞的主要组成部分,在结冰风洞试验段直接进行不同状态粒子分布特性的测量,会耗费巨大的成本。为此,本文提出一种采用实验测试和数值计算相结合的手段研究结冰风洞试验段水滴分布特性的方法。通过搭建独立的喷雾粒子试验系统,得到喷嘴出口处的粒子分布特性,在此基础上,采用数值方法计算不同水滴在风洞内的运动及传质传热过程,得到不同水滴蒸发之后的直径,进而获得试验段粒子的分布特性。采用该方法对典型雾化状态下3m×2m结冰风洞试验段粒子分布特性进行了研究,对比了空气湿度的影响。研究发现:(1)喷嘴出口处的初始喷雾粒子与试验段的水滴均保持近似正态的分布,试验段的水滴平均直径(MVD)与初始MVD接近,蒸发不能引起明显的MVD变化;(2)虽然空气湿度越小,水滴蒸发量越大,但湿度为100%时试验段水滴的 MVD比湿度为70%时小。研究成果为结冰风洞喷雾系统设计和调试提供了较好的技术基础。     

煤油射流在超声速燃烧室中的实验研究

在超声速燃烧室中分别采用气泡雾化煤油与纯煤油射流进行实验，研究不同情况对燃料的雾化和贯穿深度的影响。实验选用纹影法记录实验段图像，拍摄了不同注射压强条件下燃料有无气泡雾化的流场照片，对时间平均流场和瞬态流场分别进行记录。实验结果表明：气泡雾化的确明显地提高了液体燃料的雾化程度，但对贯穿深度没有显著的影响，提高贯穿深度的有效方法是增加射流压强。     

双组元离心式喷注器的喷雾特性初步研究

利用激光粒子动态分析仪研究了某型双组元离心式喷注器的稳态和脉冲喷雾特性.用去离子水代替推进剂,测量了喷雾场不同截面上液滴的三维速度、平均直径和浓度分布.实验结果表明,内外喷嘴产生的两股液雾相互汇合在一起,液雾的运动速度、平均直径、浓度分布体现了空心锥喷雾的特点.脉冲喷雾与稳态喷雾轴向平均速度、脉动速度的分布特点是相同的,但在喷雾中心区域内脉动速度大于平均速度.脉冲喷雾时喷雾中心区域液滴直径分布很不均匀,平均直径的值在某个值附近脉动, 这是由于难以形成稳定而连续的液膜造成的.随着脉冲时间的减少,液雾速度和平均直径的不均匀性增强.研究结果可作为喷注器设计和喷雾数值模拟的参考.     

航空发动机极端条件下液雾自燃特性研究进展

贫油预混预蒸发（LPP）燃烧是目前最先进的民用航空发动机低排放燃烧技术,但在预混过程中面临的自燃与回火等风险,已成为制约其发展的瓶颈问题。在航空发动机燃烧室的高温（最高1000K）、高压（最高6MPa）来流极端条件下,预混预蒸发段内自燃属于受限空间内的液雾自燃,本文对与液雾自燃相关的实验研究进行回顾和分析。首先,描述民用航空发动机LPP燃烧室内的液雾自燃过程,分析液雾自燃的影响因素和特点,指出液雾自燃的重点研究方向;其次,对与液雾自燃密切相关的化学自燃研究进行简要综述,总结各物理参数对化学自燃的影响规律;最后,重点分析液雾自燃的实验研究现状,展示航空发动机极端条件下的液雾自燃随机性研究进展,探讨液雾自燃研究面临的问题和后续发展趋势。