煤油-氧火焰中铁的辐射光谱实验研究

为了对羽流激波中金属光谱特性进行研究,用煤油-氧火焰气体模拟煤油-氧发动机的羽流,以二茂铁溶于煤油模拟发动机材料铁的磨损,给出不同混合比下铁在火焰中辐射光谱的实验与仿真结果.实验光谱数据随铁的浓度不同而变化,理论光谱与实验结果吻合较好,验证了羽流中金属原子辐射光谱的仿真程序.为基于羽流光谱分析的发动机故障诊断研究奠定了实验与理论基础.     

液体火箭发动机尾焰金属发射光谱仿真与实验研究

液体火箭发动机尾焰包含丰富的光谱信息,可以作为检测发动机运行状态与故障情况的重要依据。本文建立了高精度的液体火箭发动机尾焰金属发射光谱数值模拟方法,该方法以逐线法（Line-by-Line,LBL）为基础,考虑介质的光学厚度影响。利用该方法,对液体火箭发动机发生故障时,尾焰中可能存在的铁、镍、钾发射光谱进行了数值模拟,模拟结果与NASA光谱模拟程序所得结果相吻合。最后,在甲烷-氧气、乙烯-氧气预混火焰开展了铁、钾发射光谱的实验验证,结果表明,以光谱面积与特征峰强度为对比参数,光谱模拟结果和实验结果的相对误差在2.5%以下,利用实验数据,进一步讨论了光学薄和光学厚两种模型的适用性。     

三组元双工况火箭发动机羽流发射光谱实验研究

为研究火箭发动机故障的羽流光谱诊断技术，对三级元双工况火箭发动机羽流发射光谱进行了实验测量。结果表明娄发动机有异常杂质进入羽流时，羽流光谱中有该物质的显著特征光谱；同时，正常情况下羽流辐射光谱随发动机不同结构、不同工况及不同工作参数而表现出不同的特征光谱。     

羽流光谱的原子辐射仿真

为对液体火箭发动机羽流光谱实验数据进行定量分析 ,通过建立高温气体下辐射传递模型 ,对1 Cr1 8Ni9Ti的理论光谱进行了仿真计算。结果表明 ,在路径一定的情况下 ,羽流中原子浓度较低时 ,可采用光学薄模型 ,原子浓度较高时 ,可采用光学厚模型     

超音速燃烧室碳氢燃料点火实验研究

模拟飞行Ma =3 5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件 ,采用氢为先锋火焰 ,在氢氧燃烧加热脉冲风洞上 ,对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究 ,实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布 ,并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明 ,在燃烧室进口温度较低 (小于 90 0K)的条件下 ,在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难 ,采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

Experimental Investigation of Hydrocarbon-fuel Ignition in Scramjet Combustor

模拟飞行Ma=3．5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件，采用氢为先锋火焰，在氢氧燃烧加热脉冲风洞上，对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究，实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布，并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明，在燃烧室进口温度较低(小于900K)的条件下，在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难，采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

金属光谱发射率的仿真与分析

 在研究物体的辐射特性时,需要用到物体表面的发射率等物性参数作为输入参数。实验测量发射率数据的适用范围受到一定限制,不能满足所有情况的数值仿真需要。从电磁波传播的基础理论着手,结合金属自由电子气模型,考虑光学参数的色散关系和空气入射到金属内折射角的复数关系,并在随机模拟金属粗糙表面的基础上,模拟并讨论了不同影响因素下实际金属表面的光谱发射率变化趋势。将本文的数值仿真与其他相关的实验和仿真数据进行对比,结果表明,该方法从本质理解并计算金属实际表面光谱发射率数值,结果可信,并具有普遍适应性。     

RBCC发动机亚燃模态一次火箭引导燃烧的实验

针对使用液体煤油燃料(JP-10)的火箭基组合动力循环(RBCC)发动机在亚燃模态下使用一次火箭作为引导的燃烧组织开展了实验研究.实验在低来流总温条件下,使用小流量一次火箭羽流作为引导火焰可以实现液体煤油的可靠点火和稳定燃烧,并在扩张燃烧室中实现“热力壅塞”,从而完成RBCC发动机亚燃模态的高效燃烧.在目前发动机燃烧室构型下,通过一系列的发动机壁面压力分布曲线和推力增益的比较,研究了凹腔,支板及壁面喷注位置对发动机性能的影响.实验的结果表明:在一次火箭的下游使用支板喷注器可以使得燃料较容易的分布在主流中,并且在一次火焰羽流的引导下可以实现稳定高效的燃烧.支板喷注器的位置对于发动机的性能有很大的影响,在凹腔前壁面横向喷注燃料,有利于RBCC发动机燃烧性能的提升.为了获得较优的发动机亚燃模态性能,需要进一步对燃料的喷注策略开展优化研究.      

脉冲燃烧风洞中空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定影响研究

采用试验与数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响。发动机入口气流总温、总压和马赫数分别为1100K,1.0MPa和2.0。空气节流位置距离发动机入口625mm,空气节流流量为入口发动机空气流量的27.2%。多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机燃烧流场结构和火焰传播规律的诊断,包括纹影、阴影、差分干涉、自发光照相和OH-PLIF。首先考察了有、无空气节流时超燃冲压发动机冷流流场的结构,结果显示:在实施空气节流后,流场内产生了激波串结构。激波串促使流场的静温和静压升高,马赫数降低。同时激波串与边界层相互作用,导致了边界层分离,促进了燃料与空气的高效混合,实现了煤油的可靠点火。其次考察了先锋氢气燃烧流场的火焰传播规律与稳定形态,结果表明:当先锋氢气当量比为0.3时,燃烧流场振荡;当先锋氢气当量比为0.1时,燃烧流场稳定。最后研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响,结果表明:不实施空气节流时,液态室温煤油吹熄了先锋火焰,煤油点火失败;实施空气节流后,煤油成功点火,当先锋氢气和空气节流撤除后,煤油仍然保持稳定的燃烧。     

煤油—氢双燃料超声速燃烧点火特性研究

煤油－氢双燃料的超声速燃烧室中的自点火和燃烧稳定特性在直联式验装置上进行了实验研究。实验空气总温1650－1980K,总压基本保持在1.8MPa左右,燃烧室进口M数为2．5。用激光粒度仪测量了加压下煤油的雾化程度,为了寻找能点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比,设计加工了四种不同构型引导火焰与凹稳焰一体腔结构,利用氢引导火焰局部地加速煤油的化学反应和凹腔的联合促进作用与优化结合,发现在没有强迫点火能源条件下点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比较降低至0．03。燃烧室的性能用简化的一维计算机程序SSC－3作了初步估算。在长度425mm的燃烧室中获得了煤油的燃烧放率50％,引导火焰凹腔一体化结构对点火特性和性能的影响作了讨论。     

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

利用辐射光谱法开展发动机燃烧火焰参数在线测量

针对发动机高温燃烧火焰参数非接触式在线原位测量难题,提出了基于火焰辐射光谱(radiation spectroscopy, RS)的火焰参数在线测量方法,采用光纤光谱仪搭建了发动机燃烧火焰参数在线测量系统,并利用黑体炉对光谱仪电荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)波长响应特性进行了标定.之后,应用该系统获得了火箭基组合循环(rocket based combined cycle, RBCC)发动机地面试验高温燃烧火焰200~1100nm波段辐射光谱,结合普朗克定律与最小二乘法,实现了火焰温度与辐射率参数的在线测量,为发动机燃烧诊断与优化提供了直接数据支撑.      

超燃冲压发动机羟基/煤油-PLIF同步测量研究

应用一套500 Hz PLIF (Planar laser induced fluorescence)系统开展了煤油燃料超燃冲压发动机实验研究，实现了超燃冲压发动机燃烧室内火焰结构和煤油分布可视化测量。通过对OH-PLIF和煤油-PLIF同步测量方法分析，揭示了超燃冲压发动机煤油掺混燃烧振荡特性规律。利用PLIF图像的几何特征、强度特征和动态模态分解，分析了煤油掺混过程对火焰传播及燃烧特性的影响。研究表明，在煤油单独燃烧阶段，煤油主要分布在燃烧室上游。OH基受燃料分布的影响，在燃烧室内重复性地聚集和扩散，呈现破裂带状。动态模态分解结果表明，煤油掺混过程对燃烧振荡存在影响。     

燃烧过程中碳烟辐射特性预测方法评述

碳烟辐射特性研究对正确预测火焰连续辐射非常重要。对基于Rayleigh理论的经典碳烟光谱吸收系数和灰体吸收系数预测模型进行了详细综述与分析,并对与预测模型密切相关的碳烟复折射率研究状况和碳烟吸收系数模型常数的应用情况进行了分析总结,对碳烟聚合物辐射特性的预测方法进行简要概述。分析认为,目前燃烧碳烟辐射特性预测仍以传统的Rayleigh理论近似方法为主,但需注意模型常数的不确定性及选取。基于分形理论的碳烟聚合物辐射特性预测方法更加准确,但由于其自身的复杂性,目前主要以方法研究为主,鲜见用于燃烧过程中火焰辐射的模拟,因此火焰中碳烟聚合物的辐射特性预测仍有待进一步开展研究。     

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

后燃对火箭发动机羽流红外特性的影响

为研究火箭发动机后燃羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解.计算中考虑了10种组分,使用有限速率化学反应模型对羽流后燃现象进行计算,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1~15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,与试验数据符合较好.在羽流近场内能够捕捉到辐射特性随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度.随着来流马赫数和飞行高度的增加,后燃引起的羽流红外辐射强度的增量均变小.     

双模态超燃冲压发动机点火方案对比试验

在来流马赫数2、总温840K的双模态超燃冲压发动机扩张型燃烧室的冷启动工况下,对凹腔上游的煤油横向射流喷雾的三种点火方案(热射流点火、乙烯引导点火、凹腔内局部补氧点火)进行了试验对比研究.采用高速相机拍摄了不同点火方式下的初始火焰生成和发展过程,对比分析了各种点火方案的点火接力过程和压力响应特点.试验研究表明,热射流火焰和喷雾下游掺混燃烧后通过火焰逆传形成凹腔驻留火焰,室压受热射流供应及其与喷雾作用的非定常特性的影响较大;乙烯引导点火受乙烯燃烧强度的影响,在研究的参数范围内,由于生成的乙烯火焰较弱,易被煤油喷雾浇熄,旨在凹腔内形成接力火焰的点火方法未能实现乙烯引导的成功点火;在凹腔内局部补氧能够改善煤油喷雾的点火性能,点火接力过程过渡平稳.     

发射光谱测量电弧加热发动机羽流温度

为了研究玻耳兹曼图法和谱线绝对强度法对测量结果的影响，讨论了电弧加热发动机羽流的光谱诊断方法，并建立了一套光谱诊断系统。以氩气为工质，利用此系统在真空室中进行了光谱诊断．分别用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到了羽流的温度，这两种方法测得的结果有20％～30％的偏差。实验中氩气流量为42．1mg／s，功率约为200W。试验结果表明，在试验工况下，由于羽流处在热力学非平衡态，采用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到的结果是不同的，应该根据具体的工况选择测量方法。     

电弧加热发动机温度和速度的测量

本文着重介绍光谱辐射法、激光诱导荧光法、静电探针法等接触式和非接触式测量技术在电弧加热发动机 (Arcjet)参数测量中的应用。讨论了电子温度、重粒子温度、羽流速度等参数的测量 ,并对一些结果进行了分析与论证 ,指出非热力学平衡态下不同的测量技术测量的是不同的温度指标。从测量技术的发展来看 ,激光测量技术将成为参数测量的主导技术。     

Ma=4液体碳氢燃料超燃冲压发动机点火试验

在模拟飞行马赫数Ma=4,飞行高度H=20 km的条件下,针对不同燃料喷射方式、不同点火位置以及不同燃料当量比,进行了液体碳氢燃料超燃冲压发动机内点火过程的直连式试验研究。试验结果表明,在低飞行马赫数条件下,采用火花塞+引导氢的点火方式可以顺利实现单一点火位置条件下的火焰传播过程,并最终在整个燃烧室内实现各喷射位置燃料的燃烧;采用火花塞+引导氢的点火方式有利于实现煤油的点火、火焰维持与稳定燃烧;对于多位置喷油方案,引导氢与煤油的相对位置和当量比配比会使各喷射位置煤油的燃烧产生相互影响;试验最终在当量比0.66的条件下实现了煤油自持、稳定的燃烧。