跨声速压气机转子流场特性的数值研究

为研究跨声速压气机转子在设计转速下的内部流场特性,探索其流动机理,考察激波位置及成因,利用三维数值模拟方法对其进行了数值研究。结果表明,该跨声速压气机转子在设计转速下高效工作范围较宽,喘振裕度约为27.15%。近堵塞工况时,转子叶片前缘出现一道脱体的弓形激波,转子叶片流道内也存在一道正激波,激波位置随背压升高向叶片前缘移动;最高效率工况时,叶片前缘叶尖相对马赫数达到1.5。近失速工况时,流道内正激波消失。转子叶顶间隙处存在强烈的激波与附面层及间隙泄漏流的相互作用,该处熵值随背压升高而增大,高熵区随激波前移而向转子叶片前缘移动。     

爆震发动机扩张型引射喷管的非定常流动过程研究

为揭示PDE引射喷管的瞬态流动机理,采用带化学反应的非定常仿真方法,对使用二维扩张型引射器PDE的非定常排气过程进行分析,获得了流场结构的瞬态演化过程,并将其单循环的积分冲量与无引射喷管状态进行了对比。结果表明,仿真中形成了稳定的爆震波,其主要特性参数与理论值相差较小,并且仿真获得爆震排气过程的流动结构与试验结果吻合良好。带引射器PDE的单循环主要流动过程可以分为:爆震波产生和排出阶段、引射器主动进气阶段、爆震管第一次倒流阶段、爆震管主动排气阶段、爆震管第二次倒流阶段。相比无引射器状态,使用扩张型引射器可以使PDE单循环积分冲量增加21.76%,并且其对爆震管头壁压强、单次循环周期无明显影响。     

镁粉对铝/冰燃料燃烧特性的影响

为改善铝/冰燃料的点火燃烧性能,通过添加不同比例的镁粉制备成铝/冰基燃料,研究其对铝/冰燃料燃烧特性的影响。实验通过接触法测得铝/冰基燃料燃烧温度并采用高速摄影系统观测其燃烧现象。研究结果表明,铝/冰燃料中添加镁粉后在100~200℃即出现较为明显的氧化放热反应,镁粉可以明显降低铝/冰基燃料的起始反应温度,加快反应速率。在稳定燃烧阶段,随着镁粉添加量的增加,铝/冰基燃料燃烧剧烈程度降低。通过对燃烧产物的分析发现,添加镁粉后的燃烧产物形貌与未添加镁粉的产物形貌存在明显差别,且未完全反应的铝粉含量较多,燃烧相对不充分。     

进气掺氢对爆轰波参数影响的试验研究

为研究氢气对气液两相脉冲爆轰发动机内爆轰参数的影响,对进气掺氢的脉冲爆轰发动机进行了试验研究,实现了发动机的稳定工作。研究发现,进气中掺混氢气对爆轰波参数有较大影响,氢气进气压力为0.1MPa时,掺氢后爆轰波的峰值压力和速度均明显提高,爆轰波速度由1045.9m/s升高至1846.2m/s,发动机尾部位置上爆轰峰值压力从1.9MPa上升至4.5MPa,爆轰波后平台压力提高了0.2~0.6MPa;当氢气进气压力由0.1MPa增加至0.22MPa时,爆轰波速度随之增大。进气掺氢后燃烧转爆轰位置提前,有利于减少燃烧转爆轰的距离,进气掺氢的脉冲爆轰发动机能在较少扰流片(5片扰流片)情况下起爆,但当扰流片少于5片时,发动机内未能正常起爆。     

轴向间隙对对转压气机失速性能的影响

采用数值模拟的方法,通过对5种不同轴向间隙下多工况对转压气机性能及失速工况下流场结构的分析,研究了高转速对转压气机内转子轴向间隙大小对其失速性能的影响,并对近失速工况下产生性能变化的原因展开讨论。动/动交界面参数传递采用了冻结转子法,保证了小轴向间隙下数值模拟的准确性。研究表明:(1)随着轴向间隙的减小,对转压气机性能降低但稳定工作范围增大,设计轴向间隙40%C为基准(C为转子2,叶片根部轴向弦长转子2),20%C轴向间隙下对转压气机峰值效率较设计间隙下降低了2.2%,稳定裕度增加了59.5%;(2)轴向间隙的改变对下游转子进口畸变产生影响,进而影响整机气动性能;(3)下游转子进口畸变对叶根区域流场产生影响,使得效率、压力等气动性能下降,然而,进口畸变对叶顶间隙内流场的影响作用却可以扩大整机稳定工作范围。     

超声速气流中电火花塞直接点燃煤油过程试验研究

在来流总温1486K,总压1.6MPa,马赫数2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了电火花塞直接点燃航空煤油的试验研究。利用高速摄影相机进行观测,对比了不同煤油喷注方案和点火位置对火核生成和火焰传播的影响。通过上游凹腔前壁面水平喷注煤油、下游凹腔点火的方案可靠性高,在煤油与空气混合气的当量比为0.04~0.063均可实现煤油成功点火和稳定燃烧;串联凹腔构型可以提高点火性能的主要原因有两方面:一是下游凹腔有稳定火焰作用,火焰在边界层内逆流传播实现对上游凹腔的能量反馈;二是煤油蒸发、混合距离长,通过近壁区进入下游凹腔,形成了更为适宜的点火环境。     

热射流点火对多循环爆震管内火焰传播特性的影响

为研究热射流点火对多循环脉冲爆震特性的影响,在一台工作频率为20Hz的气动阀式PDE上开展了试验研究,重点分析了热射流点火位置与预燃室中敏感性气体的填充比对爆震管内初始火焰传播速度及压力特性的影响。研究结果表明:热射流点火的位置在爆震管头部回流区内,对爆震管内火焰传播速度影响较小,热射流点火位置在回流区外,随着离封闭距离的增加火焰传播速度减小;预燃室填充比从1.78增加到2.75,初始火焰平均速度从380m/s上升到420m/s左右,当填充比在2.75~3.45时,火焰传播速度基本保持不变。     

涡轮出口气流角对低速风力引射器流场影响的数值研究

为了开发先进的具有广泛适用性的低速风力涡轮,采用涡扇发动机喷管引射技术设计了双涵道风力涡轮,以新型低速引射式风力涡轮的引射混合器为研究对象,采用CFX商用软件基于RANS方程和k-Epsilon湍流模型,数值研究了涡轮出口气流角对风力引射器混合性能的影响。研究结果显示,涡轮出口气流与轴向夹角由0°增至30°,引起了波瓣后侧流向涡量迁移,最大正交涡量降低了1/3,波瓣内侧中部分离对涡与槽道吸力侧分离区汇合,风力引射器内流道总压损失从2.4%增大至5%,此夹角大于10°时外流场对称结构消失并失稳。     

旋流杯文氏管长度对积碳的影响研究

研究了三个不同长度旋流杯文氏管的积碳特性。方案A,B,C文氏管喉道位置至喷嘴出口距离依次为6mm,8mm,10mm。通过热态燃烧试验定量比较了三个方案文氏管的积碳量,并利用数值模拟分析了文氏管长度对旋流杯内部及下游的热态流场,温度场以及积碳特性的影响。试验结果显示随着文氏管长度的增加,其内壁上的积碳量随之减小,方案C相较于方案A减小幅度达到99%。数值模拟结果则发现:文氏管长度对旋流杯下游流场及温度场影响较小,但是增加文氏管长度会使中心回流区上止点由上游喷嘴处向下游文氏管出口移动,文氏管喉道附近的负速度区域和高温区域减小,方案C相较于方案A负速度及温度峰值减小幅度分别达到99%和35%。因此,适当增加文氏管长度有利于减少燃油在文氏管上的积碳,对旋流杯的结构设计具有指导作用。     

超声速预混气扩张流道热射流起爆研究

为深入理解超声速预混气射流起爆过程机理,采用块结构自适应网格加密程序AMROC,在并行计算系统中模拟单边扩张流道中H2/Air超声速预混气在持续热射流作用下的爆震起爆过程。结果表明,5.4°扩张流道上方的4mm宽度热射流在140μs时间内成功起爆了超声速预混可燃气;形成的爆震波前传速度为55.9m/s,过驱度只有1.059,接近为CJ状态的爆震波;扩张壁面使得射流诱导形成的弓形激波出现分离激波,分离激波与弓形激波相交导致弓形激波波后温度的升高,从而加速了爆震波面的形成;在扩张壁面的作用下,射流起爆的爆震波面更接近于CJ爆震波面。