基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

气动斜坡/ 燃气发生器方案燃料掺混性能研究

为了研究气动斜坡喷注器在提高掺混、点火及稳定火焰方面的作用,通过数值仿真方法,对气动斜坡及单孔直喷/燃气发生器2种方案冷流掺混流场进行了对比研究。结果表明:气动斜坡方案在燃烧室中能形成更强、更复杂的流向涡结构,对增进燃料掺混作用明显;在燃烧室后半段2种方案羽流面积相差不大,但是气动斜坡方案燃料质量中心在燃烧室中心区域附近,直喷方案燃料质量中心更靠近燃烧室上壁面,气动斜坡方案燃料分布更加均匀,到燃烧室出口处,掺混效率比直喷方案的高约10%;与直喷方案相比,气动斜坡方案对主流的影响更小,总压恢复性能优于直喷方案的,在燃烧室出口处,总压恢复系数比直喷方案的高约10%。     

单喷嘴大流量气-气喷注器设计与试验

首先对典型单喷嘴氢/氧同轴剪切式喷注器燃烧流场进行了仿真计算,分析了其燃烧流场特性;并在同轴剪切式构型基础上,为增强掺混、缩短燃烧长度、以适用于大流量工况,进行了改进设计以及相应的数值模拟和试验研究.结果表明:具有高氢/氧动量比和氧喷嘴扩口设计的同轴喷注器可以有效地缩短燃烧长度,并具有良好的热载环境,能够适用于大流量工况.研究结果为设计高效率、可靠热防护的大流量气-气喷注器的设计打下基础,并提供设计思路.      

燃料引射方式对超燃冲压燃烧室混合及燃烧效率的影响

应用含组分守恒方程的质量平均Navier Stokes方程和B L代数湍流模型,数值模拟了后台阶构型燃烧室在采用台阶上游支板引射和壁面垂直引射燃料时的内部流场。在计算过程中,对方程的对流项采用空间为二阶精度的TVD格式,扩散项则采用二阶中心差分离散。通过流场计算,对比研究了引射方式对燃料混合性能的影响。结果表明,台阶上游的支板在燃烧室的流场中产生了一对相对稳定的大尺度轴向旋涡,该旋涡不利于燃料的混合。采用壁面垂直引射时,在喷嘴下游的燃料流场中产生了小尺度轴向旋涡,该旋涡是提高燃料混合及燃烧效率的关键。     

液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。     

氢气超音速燃烧非定常过程数值模拟

用有限差分法求解二维Ｎ－Ｓ方程和组分守恒方程，使用代数涡粘性湍流模型，两步化学反应模型和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂法，模拟超音速气流中横喷氢气自动着火及火焰传播过程，清晰地描述了喷氢、火焰传播到主流、稳定燃烧过程中，温度、压力、速度和油气当量比的变化。计算结果表明，高温附面层和喷嘴前回流区能促使氢气自动着火，进口气流的静温是火焰向主流传播的重要影响因素。计算还证明了喷嘴后氢与空气两股流呈现平行流动，其间存在着强烈的湍流交换和化学反应边界层，超音速燃烧效率则主要取决于两股气流的混合速率。     

圆孔喷嘴形成气动喉部的定常数值研究

对固体火箭发动机上由圆孔喷嘴喷入二次流所形成的气动喉部进行了三维数值模拟.考察了圆孔喷嘴形成气动喉部的典型三维流动特征和喷嘴流量特性.研究了不同喷嘴面积比、喷嘴个数、喷射角度、喷嘴构型及主要喷管参数对气动喉部调节喉部面积能力的影响.结果表明在相同的喷嘴面积比下,增加喷嘴个数、采用逆向喷射或选用收缩喷嘴构型都能显著提高气...     

后掠结构对超声速燃烧斜坡喷注器性能的影响

为增进超声速流场中燃料与来流的混合,提高超声速燃烧效率,缩短燃烧室长度,设计了两种结构的斜坡喷注器.并对这两种喷注器进行了纹影、油流谱和火焰传播等实验研究.对比数值仿真结果,分析了后掠角结构对斜坡混合性能影响的机理,发现后掠设计能有效促进流向涡的卷起,并加速燃料喷流柱的抬升过程,这不仅增进了混合,也有效增强了其对火焰的稳定作用.      

基于气动斜坡/燃气发生器的超燃燃烧室实验

为探索超燃冲压发动机燃烧室中的新的火焰稳定技术,提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术,并在北航直联式超燃试验台对这种新型组合喷注器开展了超声速燃烧的试验研究。在模拟飞行马赫数5(燃烧室入口Ma=2),进行了冷流试验,获得了喷注器附近流场的纹影图像。本文设计了4种气动斜坡喷注单元,以乙烯为燃料,在约1kg/s试验气流中开展了多级喷注单元组合的超声速燃烧试验,在当量比0.78～1.22范围内实现了稳定的燃烧,经冲量分析法计算得到不同组合结构的燃烧效率为0.54～0.72。试验结果验证了这种新方案作为超然冲压发动机火焰稳定装置的可行性。     

同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度评估

为评估同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度,开展了两种不同缩进长度喷嘴的稳定性试验研究。试验中燃料流量不变,逐步增加氧化剂流量,两种喷嘴在相同的混合比（2.28）发生振荡燃烧,均对应燃烧器第二阶纵向声模态频率。喷嘴A（缩进长度8.5mm）和喷嘴B（缩进长度12.5mm）最高振荡幅值对应的混合比分别为2.28和2.81。基于二阶非线性耦合振子模型,利用喷嘴稳定燃烧阶段的压力数据,分别从频域和时域识别系统衰减系数,发现两种方法得到的衰减系数在数量上一致,验证了两种分析方法的等价性。喷嘴A在不稳定发生前衰减系数突然增大,喷嘴B衰减系数呈递减趋势,不稳定发生时降到0.03以下,说明衰减系数可以评估喷嘴的稳定性裕度,但需要考虑噪声相干共振等非线性现象的影响。     

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

Experimental study of hydrogen-rich/oxygen-rich gas-gas injectors

Five types of coaxial injectors were investigated experimentally using hot hydrogen-rich gas and oxygen-rich gas, which were respectively provided by a GH2/GO2 hydrogen-rich perburner and a GH2/GO2 oxygen-rich preburner. The injectors were the shear coaxial injector, the oxidizer post expansion coaxial injector, the fuel impinging coaxial injector, the central body coaxial injector, and the shear tri-coaxial injector. The characteristic velocity efficiency and the combustor＇s wall temperatures were obtained for different design parameters through the experiments. It can be con- cluded that angles of the oxidizer post expansion and the fuel impinging have little influence on the combustion performance and the wall temperatures. The contact area between fuel and oxidizer and the mass flow rate have significant impacts on the combustion performance. The shear tri-coaxial injector has the best combustion performance but also the highest wall temperatures among the five types of injectors.     

气-气喷注器流量特性实验研究

对气-气喷注器的两种类型七种结构的喷嘴进行了带反压的流量特性试验, 选择其中一种结构的喷嘴展开在单路工作的流量特性试验, 重点考察进口压力和反压变化对喷嘴流量特性的影响和氧化剂喷嘴和燃料喷嘴的相互作用;通过试验测量和对实验数据的拟合, 得到喷嘴流量系数的经验公式.所得的结论对全流量补燃循环发动机气-气喷注器的优化设计有一定的指导意义.      

富氢/富氧燃气同轴剪切气-气喷嘴性能仿真分析

采用正交试验设计方法对富氢/富氧燃气同轴剪切气-气喷嘴设计参数氧压降比、燃氧速度比、氧喷嘴出口壁厚进行组合,数值模拟单喷嘴燃烧室燃烧流场,研究喷嘴设计参数及参数之间的交互作用对燃烧性能和燃烧室热载性能的影响,评价指标为燃烧长度、燃烧室壁面平均燃气温度和喷注面板平均燃气温度.仿真结果表明,燃氧速度比对燃烧与热载有显著影响,氧压降比与氢氧燃氧速度比的交互作用影响明显,分析结果对气-气喷嘴试验设计有重要指导意义.      

富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴性能仿真分析

为研究富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴设计参数对燃烧性能和燃烧室热载的影响,采用正交试验设计方法对这些参数进行组合,数值模拟单喷嘴燃烧室流场,并以燃烧长度、燃烧室壁面和喷注面板处平均燃气温度为指标评价燃烧性能和热载.结果表明:燃氧速度比对燃烧性能和燃烧室热载影响最显著,中心氢流量比例对燃烧室热载影响非常显著,氧压降比对喷注面板处燃气平均温度的影响也很显著,而喷嘴出口壁厚对喷嘴性能影响不明显.燃氧速度比和氧压降比的交互作用对喷嘴性能有一定影响,而其他设计参数之间的交互作用对喷嘴性能影响非常小.最短燃烧室长度为117.9mm,最低壁面燃气温度及面板燃气温度分别为1637.7K和806.6K.      

氢/氧气-气燃烧与气-液燃烧特性对比研究

对氢/氧气-气和气-液同轴剪切式单喷注器进行了燃烧流动的仿真研究.采用带化学反应的湍流Navier-Stokes方程和颗粒轨道模型描述发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,气相化学反应速率都由Ar-rhenius公式计算.对典型气-气燃烧和气-液燃烧仿真结果进行了比较,结果表明气-气燃烧完成长度相对气-液燃烧更长;并进行了同轴喷注器关键参数对两种燃烧流场的影响的仿真和分析比较,得到喷注流量和动量比均为影响两类型喷注器燃烧流场的关键因素,且这两因素对燃烧完成长度的影响趋势是完全相同的,而喷注速度对两类型喷注器燃烧流场影响程度都较小.      

带支板的冲压燃烧室的燃烧性能研究

应用含组分守恒方程的质量平均Navier-Stokes方程和B-L代数湍流模型,数值模拟了带支板引射器的模型燃烧室内部的流场结构,对比研究了燃料注入角度对燃烧及发动机性能的影响.在计算过程中,对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的AUSMPW格式,对扩散项采用了二阶中心差分离散.研究结果表明,燃料有角度注入改善了燃料的混合性能,强化了燃料的燃烧效率,提高了发动机燃烧室的动量增量.此外,燃烧室的性能研究需考虑燃烧效率、总压损失及动量增量等因素.     

流量放大喷嘴放大比例对航空发动机燃烧性能的影响

对比研究了某型发动机主燃烧室点火电嘴附近的流量放大喷嘴的放大比例对慢车熄火特性和出口温度场分布的影响。原型流量放大喷嘴相对于标准型的放大比例为96.83%,安装节流嘴后相对于标准型的放大比例分别为22.46%、45.45%、79.27%。试验结果表明:安装节流嘴喷嘴的燃烧室,其慢车熄火边界小于原型喷嘴的,并随流量放大喷嘴的放大比例的增大而变宽;其出口温度场均匀性比原型喷嘴的略好,出口温度分布系数随流量放大喷嘴放大比例的减小而减小。     

互击式气-气喷注器混合场影响因素流动显示

虽然针对互击式气-液喷注器开展了大量研究,但对互击式气-气喷注器的了解甚少。为了深入理解互击式气-气喷注器气气混合过程的特点,利用粒子图像测速(PIV)系统对其开展了流动显示实验研究。实验结果表明:对于O-F-O互击式气-气喷注器,气流撞击角度和氧/氢动量比直接影响着气流撞击作用的大小,控制着气流混合过程;对于喷孔间距保持一定时,撞击角越大,气流间的相互作用越强,气流混和效果越好;氧/氢动量比越大,气流间撞击力越强,混合距离越短,对中心气流的挤压作用越厉害,其流场分布三维特征越明显;可以通过组合高的氧压降、低的氢压降和大撞击角来设计混合效果较好的互击式气-气喷注器。     

注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响

基于脉冲燃烧风洞直连式试验平台,利用壁面压力测量和高速摄影等手段,研究了注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响.考察了不同油位单点注油时的注油特性,利用高速摄影揭示了各个油位的火焰发展历程.在产生有效推力及防止进气道不起动的限制下,确定了各个油位的贫油最低当量比、富油最高当量比.研究了第1油位、第2油位和其他油位组合注油时的耦合作用.以隔离段未扰动区域长度、燃烧室内推力、燃料比冲为指标,探寻了燃烧性能最佳的注油方式.试验获得的隔离段未扰动区域长度最大为149.6mm,燃烧室内推力最大为1622.3N,燃料比冲最大为1354.0s.