基于发动机非正常燃烧的湍流火焰-冲击波相互作用的实验研究

爆震、超级爆震等非正常燃烧现象是限制小型强化点燃式发动机热效率进一步提升的突出瓶颈。爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波的相互作用,因此对湍流火焰-冲击波的相互作用的研究是揭示其机理的关键。本文通过在可视化定容燃烧弹内安装孔板实现火焰过孔板加速并产生冲击波,并通过改变初始热力学条件和孔板的参数,来实现不同强度的湍流火焰和冲击波及其相互作用过程。基于该燃烧装置开展了火焰加速、冲击波的形成以及湍流火焰-冲击波相互作用导致不同燃烧模式的研究。根据燃烧室末端火焰传播和压力振荡情况,总结出5种燃烧模式,其中发生自燃的燃烧模式的压力振荡幅值均超过4.5MPa,是未发生自燃时的4~40倍。因此,湍流火焰-冲击波相互作用对燃烧压力振荡具有重要影响。     

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。     

脉冲爆震发动机孔板型气动阀工作特性实验研究

采用流动显示和压力测量两种手段对应用于脉冲爆震发动机的三种不同阻塞比孔板型气动阀进行了试验研究.研究结果表明,在不存在燃烧的流场里,孔板型气动阀具有较强的阻隔压力波动的能力;然而对于采用自适应供油的脉冲爆震发动机,发动机点火后,由于压差,燃油液雾必然向上游流动,孔板型气动阀将处于可燃混合物中,较强的燃烧火焰穿越孔板时,孔板将担当起射流点火的作用,从而加速火焰的传播,最终破坏孔板阻隔压力回传的作用;增大孔板阻塞比可以减少燃油液雾的反流量,这有助于爆震室对进气系统的影响.     

由火焰聚心和激波聚焦诱导的爆震波研究

通过对几种不同结构形式的爆震发生器进行数值模拟,研究了激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理.数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程.数值计算表明用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程有利于激波的加强,强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同.通过对数值计算的结果进行分析,得到了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考.     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响,以及拓宽湍流场的强度和尺度范围,发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场,得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围,并能利用不同几何结构产生多种可控流场,实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构,利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术,开展了湍流燃烧实验,结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L,0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区,火焰面破碎程度明显增强,孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下,积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用,可能存在临界宏观雷诺数Re_c,能够表现流体惯性力占主导地位的程度,决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大,扰动能力强,故积分尺度越大,火焰体积越大;但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈,小尺度叠加在大尺度上的程度增强,最终也使火焰体积显著增大,掩盖了积分尺度对火焰体积的影响,说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

甲烷-空气预混火焰越过不同形状障碍物的实验研究

对甲烷-空气预混火焰越过安装于燃烧室内底壁的多种形状障碍物进行了系列实验。以高速阴影摄影获取火焰阵面变化的序列相片,准确地记录了流场和火焰的变化过程。结果表明,障碍物的上表面对诱导湍流具有十分重要的影响,而障碍物下游的回旋区会导致火焰的翻卷和弯曲。变形火焰在未燃气体中产生的压缩波在壁面进行反射并在燃烧区反复穿越,也大大破坏了火焰的稳定性。不同形状的障碍物对火焰稳定性的影响呈现的特点不同,但最终均能导致湍流燃烧和加速。     

预混湍流火焰面褶皱结构网络拓扑研究

湍流火焰结构是表征湍流与火焰相互作用的组分、速度、温度等标量场信息,理解湍流与火焰相互作用规律,验证和发展湍流燃烧模型的实验基础。针对传统曲率PDF分布反映湍流火焰面褶皱结构失准问题,利用网络拓扑结构方法可以标记系统关键节点和特征结构,构建湍流火焰面的拓扑结构。本文标记了湍流火焰面上的关键褶皱结构,分析了湍流与火焰的作用规律,结果表明:低湍流强度下,湍流火焰面的关键褶皱结构由火焰自身不稳定性引起;当湍流强度增大,湍流火焰面的关键褶皱结构由湍流尺度决定。在本生灯湍流火焰中,火焰自身不稳定性引起的火焰褶皱与火焰发展距离有关。在本生灯火焰底部,火焰自身不稳定性不引起火焰面褶皱,随着火焰向下游发展,其对火焰面影响逐渐增大,火焰褶皱程度增加。     

强声激励下旋流火焰周期性流动结构的实验研究

强声波扰动下旋流流场的动态特征对于理解旋流火焰的非线性响应特性非常重要。基于超高重复频率脉冲串式激光器高速粒子示踪技术测量了强声激励下旋流火焰的动态流场,研究了旋流流场周期性涡结构和流场-火焰动态相互作用。周期性声波扰动会在旋流火焰内剪切层和外剪切层中引起固有涡结构。发现外部涡环在卷曲火焰锋面和改变火焰热量释放速率中起主要作用,而内部涡环分布在火焰根部并会影响中心回流区速度分布。定量提取了声诱导涡环的轨迹、涡量、环量、尺寸、出口速度以及加速度之间关系,发现强声激励下的出口速度和加速度决定了外部涡环的形成和脱落过程。     

可压缩湍流圆孔射流的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了可压缩湍流圆孔射流问题,射流的马赫数为0.9,雷诺数为36000.分析了射流的剪切层不稳定性过程,研究结果表明,沿剪切层的对流马赫数小于0.6,剪切层中的扰动涡在初始阶段沿周向呈管状结构.剪切层的不稳定性过程分为3个阶段,即增长阶段、失稳阶段和混合阶段,剪切层的增长速度在失稳阶段最慢,射流流场的湍动能峰值出现在剪切层混合阶段.     

冲击射流火焰流场的LDV实验研究

搭建了基于激光多普勒测速仪（LDV）的冲击射流火焰流场实验平台,开发了固态粒子发生器、粒子回收装置和精密位移机构等装置,对单孔喷嘴（功率200W）、同轴喷嘴（功率1200W）的自由射流火焰流场和冲击射流火焰流场进行高精度测量,测量数据具有较高的准确性和可重复性。在冲击射流模式下,利用多个位置点的平均速度分量测量值进行流场重构,获得了冲击射流火焰流场基本特征。实验发现:在靠近冲击壁面区域距中心滞止点约1倍喷嘴直径处出现水平方向速度峰值,该点处可能会形成短冲击距离下换热强度的第二次峰值。在同轴射流工况中,外环同轴射流和中心射流间存在一个内部剪切混合层:在自由射流火焰模式下,该混合层随着射流的发展而耗散;在冲击射流火焰模式下,由于受到滞止区的作用,混合层向外扩张。     

激光多普勒测速方法研究超声速冲击射流

在超声速射流噪声的产生中 ,喷嘴出口的激波栅格结构有关键的作用 ,激波栅格的间距是推测激波噪声基频的基本参数。应用激光多普勒测速方法对收缩喷嘴欠膨胀射流垂直冲击平板的流场进行了测量 ,获取了射流轴线上的速度分布。从该轴线速度的起伏推算出自由射流段的激波栅格间距与前人用接触测量方法得到的经验公式基本一致 ,但是比该经验公式值低 5 %以上 ,表明由该接触测量所得的经验公式描述的激波栅格间距可能大于实际的激波间距。     

B/L湍流模型在强压力梯度流场计算中的应用

对在湍流计算中已得到广泛应用的Ｂａｌｄｗｉｎ／Ｌｏｍａｘ（Ｂ／Ｌ）代数湍流模型进行了修正。修正后的Ｂ／Ｌ模型考虑了压力梯度及物面引射速度对内层ＶａｎＤｒｉｅｓｔ衰减因子的影响。与此同时,文中还用修正的Ｂ／Ｌ湍流模型对亚声平板附面层流动、拉伐尔喷管内的正激波／湍流附面层干扰流动进行了计算。计算与实验结果比较表明,修正后的Ｂ／Ｌ模型不仅可以更准确地计算具有强压力梯度的激波／附面层干扰区内流动压力分布,而且还可以准确地预报激波／附面层干扰引起的流动分离,从而为Ｂ／Ｌ模型的工程应用开拓了领域。     

乙烯燃料超燃冲压发动机燃烧过程研究

在来流马赫数2.0的直连式燃烧设备上,研究了氢气引燃条件下带凹腔的超燃冲压发动机燃烧室内,从氢点火到氢与乙烯混合燃烧,再到乙烯单独燃烧的全过程的燃烧流动特性,通过纹影、火焰自发光、CH自发光以及OH-PLIF等手段瞬时同步研究了流场结构和火焰发展.先锋氢与乙烯的当量比分别约为0.33和0.10.整个燃烧过程分6个阶段,...     

氢氧爆轰直接起始的射流点火方法研究

为探讨氢氧爆轰驱动激波风洞中的高氢混合比氢氧混合气直接爆轰的点火方法，对射流点火管的点火能力进行实验研究发现，点火管长度是决定射流点火能力的关键因素，射流点火能力随点火管长度的增加而增强。点火管与爆轰管之间无隔膜，结构简单，操作方便。同时观察了点火管中增添孔板对射流点火能力的影响，发现障碍物对射流点火能力具有减弱作用。     

超声速来流中的支板辅助喷注掺混特性研究

采用Reynolds-averaged Navier–Stokes（RANS）数值方法研究了马赫数2.95超声速横向来流中的支板辅助燃料喷注掺混特性。在射流与横向来流动量比7.7工况下进行了数值模拟,并与无支板的普通壁面喷注工况进行对比。研究结果表明:产生于支板前缘的诱导激波被观测到汇聚于分离激波,在支板辅助喷注工况下,反转旋涡对（CVP）结构更多,边界层内燃料扩散速度更快、射流穿透更深,最终体现为在未增大流动压力损失的前提下,支板极大地提升了燃料混合效率。此外,还阐述了支板对燃料–空气混合增强的作用机理。