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。     

飞秒激光光谱技术在燃烧领域的应用

基于飞秒激光的燃烧诊断技术，可实现燃烧场温度、速度、组分浓度等参数的在线测量。作为一种有效的诊断工具，飞秒激光诊断技术在燃烧领域中有着广泛的应用前景，将在提高燃烧效率和降低燃烧排放等方面发挥越来越重要的作用。本文通过综述飞秒多光子激光诱导荧光技术、飞秒激光成丝诱导非线性光谱技术以及飞秒激光电子激发示踪测速技术等飞秒激光在燃烧领域的具体应用实例，概括介绍了飞秒激光燃烧诊断技术的发展。在此基础上，对飞秒激光燃烧诊断技术在未来的发展潜力进行了分析与讨论，为相关研究人员提供参考。     

激光吸收光谱断层诊断技术测量燃烧流场研究进展

激光吸收光谱断层诊断技术（TDLAT）是将可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）与计算机断层诊断技术（CT）相结合的一种新型的流场二维测量技术。该测量技术具有灵敏度高、抗噪声能力强等优势,可用于高温、高速、有毒等严苛环境下的流场监测,尤其在燃烧和推进流场测量中具有广阔的应用前景。首先介绍了TDLAT测量的基本理论,其次将TDLAT系统分为4个基本模块,即光学测量模块、数据处理模块、重建算法模块和后处理模块,分别对各模块的研究现状和关键技术进行了综述和对比分析,再次,列举了TDLAT在超燃冲压发动机、航空发动机和燃煤锅炉上的应用,最后讨论了TDLAT在燃烧流场测量中的发展趋势和有待解决的问题。介绍的TDLAT技术研究现状、关键技术及发展动态可为相关研究人员提供参考。     

缸内湍流运动对复合燃烧燃料活性分布的作用机制

缸内受限条件下燃料与湍流的相互作用是燃料分层控制复合燃烧的关键问题。针对该问题,通过向缸内直喷高活性燃料二甲醚（Dimethyl ether,DME）,形成高活性燃料浓度分层。基于光学可视化发动机实验平台,利用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）、Rayleigh散射、Mie散射以及高速摄影结合放热分析等手段对复合燃烧这一缸内受限空间下的流动及燃烧过程进行了观测,并通过三维计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）仿真手段对观测到的现象进行解释。结果表明:缸内存在大范围逆时针涡流场,DME的蒸发和扩散过程受到流场的作用;在流场的作用下,缸内燃烧过程呈现DME集聚区域自燃-火焰传播-多点自燃放热特征。     

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能,基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中,每种技术都有其局限性和适用范围,需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点,选择合适的激光诊断技术。在温度测量中,相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术主要用于单点温度测量,单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%;高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光（PLIF）测温方法,但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中,粒子成像测速（PIV）技术适用于低速流场速度的精细测量,羟基分子标记测速（HTV）技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量,HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中,主要采用自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering,SRS）和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。     

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。     

小型化TDLAS发动机测温系统的研究及进展

在吸气式发动机研究中,需要监测其进气道气流流场分布、燃烧室温度分布和燃烧产物浓度来验证燃烧室内的燃烧理论模型并最终改进发动机设计;同时,这些参数的实时获取还可以用来控制发动机工作状态以实现燃烧效率优化。TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术具有结构紧凑、响应快速、灵敏度高和非入侵式测量等优点,在高温、高速和剧烈振动等恶劣工作环境下可实现随机飞行的发动机测量,因此被国外多家研究机构采用。调研了高超声速燃烧发动机研究项目 HIFiRE及其在传感器小型化方面所采用的技术手段,介绍已有的小型化设计思路和取得的进展。已集成的小型化系统体积为30×15×10cm3,重量<5kg,功耗<10W。经验证,该系统可在发动机地面试验条件下稳定工作,给未来随发动机飞行的小型化测温系统设计提供了参考。     

基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展

激光诱导炽光法（Laser Induced Incandesence，LⅡ）是一种非接触式的光学诊断方法，可获得激光片光照射薄层内瞬时碳烟的二维分布，具有较高的时间与空间分辨率，已经成为一种重要的碳烟测量技术。本文首先介绍了LⅡ技术的发展历程和基本原理，然后从数值模拟、定性和定量测量3个方面详细综述了LⅡ用于碳烟测量的技术方法以及国内外的研究进展，并对今后的发展提出了建议。实现定量测量的标定方法主要有采样法、LⅡ结合消光法（Light Extinction Method，LEM）和双色法LⅡ（2-Color Laser Induced Incandesence，2C-LⅡ），其中2C-LⅡ因实现相对简单，可以在线实时标定，因此在国内外获得了较大的发展。本文通过总结国内外LⅡ技术在测量碳烟方面的研究成果，希望让国内同行了解该方法的研究现状以及该方法在揭示碳烟生成氧化机理方面的重要作用，为其今后的发展提供一些参考。     

基于10kHz高频OH-PLIF的标模发动机燃烧室测量试验

中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所在国内首次搭建了基于标模发动机的10 kHz高频OH-PLIF试验系统,并于2021年5月在高超声速冲压发动机技术重点实验室的脉冲燃烧风洞上开展了超燃冲压发动机燃烧室测量试验研究.     

燃料液滴在超临界环境中蒸发和燃烧的研究进展

随着高超声速飞行器的发展,未来高性能动力装置的燃烧室温度和压力将越来越高,当燃烧环境达到超临界时,液态燃料的蒸发和燃烧过程将涉及高梯度传热传质和临界相变等复杂因素,使得雾化、蒸发和燃烧规律发生改变。本文对燃料液滴在超临界环境中蒸发和燃烧的相关研究进行了综述,总结了已有的重要研究成果,阐述了研究中急需解决的关键问题,为后续深入研究提供参考。     

基于自发辐射分析的被动式燃烧诊断技术研究进展

被动式燃烧诊断技术是利用火焰自发射辐射信息进行燃烧诊断的一项技术,具有非接触、对环境要求不高、系统紧凑、易于实施等特点,在燃烧场在线测量及诊断中具有独特优势.首先,分析了各类燃烧诊断技术的优势及局限;其次,结合华中科技大学煤燃烧国家重点实验室开展的被动式燃烧测量诊断研究工作,从火焰发射光谱、火焰图像处理、热辐射成像技术...     

薄层液膜厚度的点测量和空间测量方法综述

液膜现象广泛存在于自然界和工业过程中,特别是在发动机中,燃油雾化通常会形成亚毫米量级乃至微米量级的薄层液膜,其厚度的高精度测量对发动机的设计和改进具有重要意义。介绍了薄层液膜厚度测量中常用的点测量方法和空间测量方法。点测量方法包括电测法和全内反射法,用于单点液膜厚度的测量,具有成本低、操作简单的优点,但不具有空间分辨能力。空间测量方法包括电测法、荧光强度法和平面激光诱导荧光法,可同时测量多个位置乃至连续区间内的液膜厚度,获取液膜分布和运动发展信息。其中电测法操作方便、稳定性高,但是会对液膜产生扰动;而光测法为非侵入方法,适用于高速运动液膜的厚度测量。     

M6双模态冲压模型发动机氢燃料的燃烧试验研究

在一个有突扩台阶的氢燃料高超声速冲压发动机模型内研究了氢燃料喷注方式对点火与燃烧效果的影响。氢气从均匀分布于支板上的小孔喷注 ,支板位于燃烧室突扩台阶后 ,燃料的喷注方向可调。本文研究了逆来流喷射、逆流与来流夹 4 5°角喷射 ,同时从支板前端面逆喷和从支板后端面顺喷、从壁面垂直于气流喷注燃料时 ,燃烧室内燃烧效果的差异。实验在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上进行 ,实验马赫数为 6 ,总温1 85 0 K,总压 5 .5 MPa。实验结果表明 ,从支板前端面逆喷氢气时 ,点火与燃烧的效果最好。逆喷方式下 ,当氢气的当量油气比为 0 .8时 ,在本模型流道构型条件下 ,获得的推力收益超过 5 0 0 N。     

航空发动机主轴承使用状态寿命预测模型(英文)

航空发动机主轴承寿命的实际可靠预测对于发动机的安全运行至关重要。使用状态寿命(即状态良好、初始损伤、故障发展和即将失效4个寿命阶段)描述航空发动机主轴承的使用寿命,并提出了一种基于支持向量机和模糊逻辑推理的主轴承状态寿命分析模型。首先,讨论了理论计算模型,采用轴承疲劳累积损伤模型,利用修正的Lundberg-Palmgren模型,结合飞参记录数据计算主轴承装机以来的累积寿命消耗,确定状态寿命的理论值。然后,详细阐述了状态寿命评估模型,该方法通过选取轴承振动的时域、频域统计量作为特征矢量,利用支持向量机作为辨识算法进行滚动轴承状态寿命的智能评估。最后,基于模糊逻辑推理融合主轴承状态寿命的理论计算模型和状态寿命评估模型得到主轴承状态寿命模型。采用滚动轴承的全寿命试验验证模型的有效性和可行性。     

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。     

柴油发动机液压测功器系统微机数字控制

液压测功器为柴油发动机的性能检测试验和实际负载的实验室物理仿真提供了灵活有效的手段。在微机数字控制下,柴油发动机液压测功器系统具有良好的静态精度和动态跟踪特性,并具有高度的自动化和较强的数据采集及处理能力,能较好地满足柴油发动机及其控制器的性能检测试车的要求。本文论述柴油发动机液压测功器系统微机数字控制的控制方式及其实现过程中的若干问题和解决方法,展示了微机数字控制的良好效果。