涡扇发动机燃烧室三维冷态流场的计算

论述了某型号涡扇发动机带甩油盘燃烧室从建模到流场计算的整个过程，对半折流式环形燃烧室进行了冷态流场三维流动数值模拟，运用先进的数值计算软件，模拟甩油盘旋转甩油的过程，数值计算得到了燃烧室的速度场、总压恢复系数的分布以及燃油分布情况。为燃烧室的热态流场计算和燃烧室的设计、反设计及改型奠定了基础。     

超声速燃烧室流场的数值模拟研究

用二维Ｎ－Ｓ方程的数值计算方法,模拟了超声速燃烧室内流场结构和性能。当量油气比φ＝０．３５和φ＝０．４６,燃烧室由扩张段和等截面段组成。在给定的进口状态下,计算结果与实验数据的比较表明,壁面压力和总压恢复系数相当符合。对计算的燃烧效率低于实验数据的原因进行了分析,对双模态超声燃烧室设计提出了改进的意见。     

连续旋转爆轰发动机参数特性的三维数值模拟

采用一步化学反应模型,基于任意坐标系下Euler控制方程,对连续旋转爆轰发动机(CRDE)进行了三维数值模拟研究, 详细分析了来流总压对CRDE参数特性的影响.研究发现:随着来流总压的增大,爆轰波峰值随之增大,但是燃烧室头部Laval型喷注段的壅塞比基本不变.不同来流总压下,可燃气体在燃烧室头部均以亚声速入射.随着来流总压的增大,燃烧室内流场的平均压强增大,但是其平均轴向流速基本不变.CRDE的流量、推力和比冲均随着来流总压的增加而变大;但是,不同来流总压下,CRDE的流量与Laval型喷注段最大流量之比不变,并且此比值约等Laval型喷注段的壅塞比.Laval型喷注段最大流量与来流总压成正比,因此以上分析从理论上进一步解释了CRDE的流量与来流总压成正比的原因.      

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

驻涡燃烧室最佳中心驻体宽度选择的数值研究

为确定驻涡燃烧室中心驻体最佳宽度,在四种来流条件下,对当量宽度为0.3～0.8范围,间隔为0.05当量宽度的中心驻体驻涡燃烧室三维黏性流场进行了冷态数值模拟.计算结果表明,当量宽度在0.65～0.70的中心驻体有利于在驻涡腔内形成低速且稳定的流动.驻体宽度增加会导致驻涡腔外侧主流气流速度提高,引起摩擦损失的加大,燃烧室出口截面处的总压损失增加.      

燃烧室分配器式扩压器性能数值研究

高性能航空发动机燃烧室进口马赫数的不断提高会导致扩压器总压损失急剧增加,设计了一种新型的燃烧室扩压装置—分配器式扩压器,采用CFD方法对其进行了数值模拟,重点研究了分配器式扩压器的总压损失,结果表明,数值模拟结果与理论分析相吻合,并且在Ma高达0.36时,设计的分配器式扩压器矩形结构的总压损失为4.79%,小于短突扩扩压器的总压损失,可以满足高性能发动机对燃烧室扩压器性能的要求。     

燃烧室热力模化分析

以燃烧室四热量平衡方程为热力模化分析和壁温计算模型，得到了较实用的模拟准则。用几种模拟压力下的计算壁温对设计点壁温的偏差考察了准则的可靠性。热力模拟准则与压力1．0次方或1．15次方燃烧效率准则相近，与1．75次方效率准则差别较大。热力准则在0．3倍设计压力以上的压力范围具有较高的模拟准确率。压力低于1MPa时，模拟壁温应作增加5％以上修正。     

超燃冲压发动机燃烧室冷态流场研究

利用西北工业大学电阻加热超声速燃烧室直连式实验设备,针对自行设计的超声速燃烧室模型,在燃烧室入口马赫数Ma=2.0、入口流量m=0.73～1.0kg/s、入口总压p_t≈(7～8)×105Pa、入口总温T_t为室温条件下,开展了不同燃烧室进口流量、隔离段长高比以及燃烧室出口堵塞比情况下的燃烧室冷流实验;采用CFD商用软件对燃烧室冷流流场进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了对比和分析.研究结果表明,增加隔离段的长高比,可以提高燃烧室抗反压的能力,燃烧室出口压力场的畸变对燃烧室内部流场有较大的影响,同时通过计算结果与实验数据的对比验证了计算方法的适用性.      

煤油超声速燃烧的数值分析

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态超声速燃烧室内的超声速喷雾燃烧进行了数值模拟。采用离散液滴模型、概率密度函数紊流扩散燃烧模型和紊流k ω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。数值结果得到的壁面静压分布与实验数据基本一致;计算所得到的总压损失系数是0 696,非常接近实验测量值0 707,但计算得到的燃烧室燃烧效率远比实验值高。     

燃气轮机环形燃烧室燃烧流动的数值研究

由于燃气轮机燃烧室内复杂的物理化学变化，利用数学模拟的方法来研究，对减小燃烧室研制费用，缩短研制周期具有重要意义。对QD128型燃气轮机燃烧室燃烧天然气进行了数值模拟，在模拟过程中采用了雷诺应力模型、EBU—Arrheniue湍流燃烧模型和六通量辐射模型来描述其燃烧流动过程，运用FLUENT软件求解了三维流场和温场分布。计算结果能够很好地反映环形燃烧室燃烧流动特点，对预测环形燃烧室内的燃烧流动有一定参考价值。     

液氢突扩燃烧冲压发动机性能

对航天飞机用液氢突扩燃烧冲压发动机性能进行了比较详细的计算及分析。研究的工作范围为Ma=1.50～6.50、高度变化范围为H=0～40km。并把计算结果与等截面液氢冲压发动机性能进行了比较。计算结果表明,在低空低马赫数时突扩燃烧冲压发动机性能较为优越,而在高空高马赫数时性能基本没有变化。航天飞机使用突扩燃烧室冲压发动机在低空低马赫数时可以部分解决流量匹配问题,还可提高发动机推力、减少溢流阻力。燃烧室结构也较简单。     

燃油分级比对LESS燃烧室压力振荡频率的影响

实验研究了燃油分级比对low emissions with stirred swirls(LESS)燃烧室压力振荡频率的影响,在燃烧室进口压力为1.14~2.77MPa,燃烧室进口温度为645~808K,总油气比为0.0242~0.0303,燃烧室压降为3.14%~3.64%范围内,随着燃油分级比减小(32.7%降到5.21%),压力振荡频率下降.采用了简单均匀介质直管道模型和CFD数值方法分析燃油分级比对压力振荡频率的影响.结果表明:燃油分级比引起火焰区的起始位置、轴向长度和平均温度的变化是导致压力振荡频率变化的主要原因.      

多级旋流空气雾化喷嘴高空气动雾化场的数值研究

为有效拓宽采用预膜式空气雾化喷嘴的多旋流分级燃烧室的稳定工作边界,在模型燃烧室上开展了高原及高空工况下气动雾化场的数值研究,采用经过实验验证的数值模拟方法获取了多旋流分级燃烧室的高空气动场和雾化场,分析了低温、低压进口条件对燃烧室流场结构和雾化质量的影响。结果表明:低温及低压进口工况对中心回流区的结构及尺度、速度分布影响较小,但低温会削弱旋流器出口湍动能强度,低压会显著降低旋流空气切向剪切力。相同旋流器压降下,低温、低压条件会造成气液比和韦伯数的降低,导致雾化粒径增大,液滴群轴向穿透深度增加。相关研究结论能够解释该类燃烧室高空点火困难的影响机制。      

超声速模型燃烧室中气化煤油喷注研究

利用直接照相和纹影显示研究了不同预热温度的煤油喷注到静态大气和马赫数2．5的横向气流时射流结构。煤油加热系统可将0．8kg煤油加热到670K和5．5MPa压力。比较4MPa压力下290K～550K不同温度的煤油射流结构可以发现，550K煤油射流一旦流出立即完全气化，并且保持贯穿深度基本不变。结果表明：喷注汽化燃料有可能改善液体碳氢燃料超声速燃烧室的性能，因为至少省却了雾化和气化过程。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器,并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下,应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究,实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量,获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构,形成回流区;流场旋流作用强,横截面流场存在顺时针大涡;主燃孔射流和掺混孔射流作用明显,射流穿透深度较大,对流场结构影响显著;高温高压状态下,流场结构与常温中压状态类似.      

Research on vacuum plume and its effects

In vacuum environment, the exhaust flow of attitude control thrusters would expand freely and produce the plume, which possibly causes undesirable contamination, aerodynamic force and heating effects to the spacecraft. Plume work station (PWS) is developed by Beihang University (BUAA) for numerically simulating the vacuum plume and its effects. An approach which combines the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method and difference solution of Navier-Stokes (N-S) equations is applied. The internal flows in nozzles are simulated by solving the NS equations. The flow parameters at nozzle exit are used as the inlet boundary condition for the DSMC calculation. Experimental studies are carried out in a supersonic low density wind tunnel which could simulate the 60-80 km altitude environment to investigate the plume and its effects. To demonstrate the capability of PWS, numerical simulations are performed for the vacuum plume of several typical attitude control thrusters. The research results are of great help for the engineering design.     

航空发动机在高空台上的H0/Ma0试验分析

分析了发动机高空台H0/Ma0试验时,高空舱压力与标准大气压力不一致的产生原因,以及由于发动机排气引射作用与高空舱内冷却流动造成的环境压力低于标准大气海平面静止空气压力对发动机H0/Ma0试验结果的影响机理。在此基础上,提出了环境压力差异对发动机H0/Ma0试验结果影响的研究方案,并用两型发动机在不同试车台上进行了H0/Ma0试验与研究性试验。结果表明,70 kPa压力环境、0.99~1.02冲压比的高空台H0/Ma0试验的换算结果,与标准大气海平面静止条件下的试验结果基本一致。     

模型冲压发动机低压条件下燃烧效率试验

在亚燃冲压发动机直连式高空试验系统上,实现了模型冲压发动机在40～60 kPa条件下的点火和稳定燃烧,研究了燃烧室构型、燃烧室入口来流条件以及燃料当量比对燃烧效率的影响。试验结果表明:低压条件下的燃烧效率比常压和高压条件下的燃烧效率都要低;但低压条件下燃烧效率随燃烧室构型、模拟来流条件和燃料当量比的变化规律与常压和高压下的情况基本一致,增加燃烧室长度、提高来流总压和总温、增大燃料当量比,降低飞行高度,以及增强煤油的雾化和混合,都有利于提高燃烧效率;与常压和高压下的情况不同的是减小凹腔长深比能进一步提高燃烧效率。     

亚燃冲压模型燃烧室高空负压试验

为了验证亚燃冲压燃烧室在高空负压条件下稳定工作的能力,设计了带蒸发式值班火焰稳定器与直射式喷油装置的亚燃冲压模型燃烧室,对该模型燃烧室进行了冷态流阻试验、贫油熄火边界试验以及不同截面燃烧效率试验研究。研究结果表明,试验件的冷态流阻系数略大于1,冷态总压恢复系数0.98以上;蒸发式火焰稳定器贫油熄火边界较宽;两截面燃烧效率最低相差6%,最高相差19%,在高空负压条件下,增加燃烧段长度能显著提高燃烧效率。     

Design and Performance of an Improved Trapped Vortex Combustor

 A trapped vortex combustor (TVC) has been a very promising novel concept for it offers improvements in lean blow out, altitude relight, operating range, as well as a potential to decrease NO_x emissions compared to conventional combustors. The present paper discusses the improved designs of the new combustor over the prior ones of our research group, including that: a) the overall dimensions, both axial and radial, are reduced to those of an actual aero-engine combustor; b) the air flow distribution is optimized, and especially 15% of the air is fed into the liner as cooling air; c) a straight-wall diffuser with divergence angle 9癷s added. A series of experiments (cavity-fueled only, under atmospheric pressure) has been conducted to investigate the performance of the improved TVC. Experimental results show that at the inlet temperature of 523 K, the inlet pressure of 0.1 MPa, stable operation of the TVC test rig is observed for the Mach number 0.15-0.34, indicating good flame stability; the combustion efficiency obtained in this paper falls into the range of 60%-96%; as the total excess air ratio increases, the combustion efficiency decreases, while the increase of the inlet temperature is beneficial to high combustion efficiency; besides, the optimal Mach numbers for high combustion efficiency under different inlet conditions are confirmed. The outlet temperature profiles feature a bottom in the mid-height of the exit. This paper demonstrates the feasibility for the TVC to be applied to a realistic aero-engine preliminarily and provides reference for TVC design.