煤油简化化学反应机理在超燃数值模拟中的应用

针对一种适用于超声速燃烧流场数值模拟的新型26组元89反应简化燃烧反应机理,在RP-3航空煤油点火、定常/非定常燃烧流场数值模拟方面的效率与精度进行了研究。首先,对定常燃烧流场进行了典型算例数值模拟,得到了与试验数据相吻合的结果,分析表明该简化机理在计算精度方面具有明显优势。然后,针对气态煤油在超燃冲压发动机燃烧室内的非定常燃烧流场,将该简化机理与总包反应简化机理进行了对比,验证了该简化机理可以更准确地描述燃料燃烧过程中化学能的释放过程,并能够获得烯烃、炔烃等重要中间燃烧产物的空间分布规律,给出包括点火延迟等参数在内的更为全面的流场信息。研究结果表明,该新型燃烧反应简化机理在煤油燃料超声速燃烧流场的数值模拟方面具有较高的精度与效率,可以用于超燃冲压发动机内流燃烧流场的模拟与分析。     

燃烧加热污染空气对煤油超燃冲压发动机性能的影响

针对目前超燃冲压发动机地面试验设备普遍存在的工质污染问题,采用经过验证的数值计算方法开展了燃烧加热污染空气对煤油超燃冲压发动机性能的影响研究.以飞行马赫数为6.0作为基准状态,分别对纯净空气来流和不同参数匹配方案的污染空气来流下发动机整机流场和性能进行了数值模拟.计算结果表明:在压力参数中选择匹配静压时最接近于纯净空气来流的结果,选择匹配总压时差别最大;在温度参数中选择匹配静温时最接近于纯净空气来流的结果,选择匹配总温时差别最大;压力参数匹配选择的影响更具有决定性作用,需要优先考虑.研究结果可为认识整机污染效应影响,确定污染空气来流下地面试验模拟准则提供理论依据.      

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H2/O2七组分八方程模型,湍流模型为标准的k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。     

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。     

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

空气节流对乙烯燃料超燃冲压发动机流场结构影响研究

空气节流可以有效地实现超燃冲压发动机燃烧室燃料的稳定燃烧,采用非定常数值模拟和地面试验研究了空气节流作用下乙烯燃料超燃冲压发动机的流场特性。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K,静压0.1MPa,845mm处节流条件下,冷流流场达到稳定所需时间较短,约为2ms;在空气节流开始后的6ms注入燃料实现发动机的起动点火是合适的;28ms后燃烧流场稳定,流场呈现短周期的小幅振荡,周期约为0.86ms,振荡对流场的影响很小;壁面压力数据的数值模拟结果与试验结果匹配良好,数值模拟更加全面地给出了流场结构信息。     

煤油超燃冲压发动机两相流场数值研究 (Ⅲ)煤油在超燃流场中的多步化学反应特征

深入分析了煤油代用燃料C12H23的17组分30步反应模型在超燃冲压发动机流场内的细观化学反应动力学特征,结果表明：(1)该化学反应模型比较合理地描述了煤油在超燃流场内的裂解、点火、裂解产物的燃烧以及和NOx的生成等基本规律和特征,其中对于OH分布特征的预示和文献的利用PLIF的物理观测结果一致。不过,其单步裂解机制对温度场的预估偏高。(2)对导流型凹槽内的化学动力学特征分析表明,导流槽由于加强了凹槽外氧气向凹槽内的输运,使得凹槽内的燃烧得以强化,生成的CO2偏多。(3)煤油的化学反应动力学过程对于准确预示和评价煤油在超燃发动机内的燃烧状况及发动机整体性能有重要影响。     

双模态冲压发动机燃烧性能初步研究

通过数值模拟和地面试验研究了当量比和注油分布对双模态冲压发动机燃烧性能的影响,结果表明：在隔离段入口马赫数为2.0,总温为1100K,总压为1MPa的来流条件下,总当量比为0.6时,燃烧模态为双模态亚燃,热力喉道位置位于凹槽出口处;总当量比大于0.6时,发动机燃烧模态为亚燃,热力喉道位置相同,流场结构稳定.通过选取压力参考点的方法,发展了发动机推力快速分析方法,误差较小.     

煤油超燃冲压发动机两相流场数值模拟(I)数值校验及总体流场特征

针对一种带三维导流型凹槽的煤油超燃冲压发动机,考虑两相(颗粒随机轨道方法)、湍流(Menter的SSTk ω模型)和多步燃烧机理(代用燃料C12H23的17组分30步化学反应机理),对飞行马赫数M0为4和6的典型工况开展了初步数值研究。结果流道壁面压强分布与试验值取得了较好的吻合,不过M0=6工况的第一凹槽组附近的存在约23%的数值误差。给出了误差原因。进一步分析表明(1)M0=6工况的分段燃料喷注对整体燃烧产生了有利影响,导致了较高的燃烧效率。(2)M0=4工况采用了不合理喷注参数,结果煤油穿透深度不足,获得了较低的燃烧效率。(3)三维导流型凹槽附近的湍流效应明显,对掺混产生了有利影响。不过超声速主流的湍流强度远大于亚声速主流情况。     

煤油超燃冲压发动机两相流场数值模拟(Ⅰ)数值校验及总体流场特征

针对一种带三维导流型凹槽的煤油超燃冲压发动机,考虑两相(颗粒随机轨道方法)、湍流(Menter的SSTκ-ω模型)和多步燃烧机理(代用燃料C12H23的17组分30步化学反应机理),对飞行马赫数M0为4和6的典型工况开展了初步数值研究。结果流道壁面压强分布与试验值取得了较好的吻合,不过M0=6工况的第一凹槽组附近的存在约23％的数值误差。给出了误差原因。进一步分析表明(1)M0=6工况的分段燃料喷注对整体燃烧产生了有利影响,导致了较高的燃烧效率。(2)M0=4工况采用了不合理喷注参数,结果煤油穿透深度不足,获得了较低的燃烧效率。(3)三维导流型凹槽附近的湍流效应明显,对掺混产生了有利影响。不过超声速主流的湍流强度远大于亚声速主流情况。     

Experimental and Numerical Studies of Vitiated Air Effects on Hydrogen-fueled Supersonic Combustor Performance

This paper deals with the vitiation effects of test air on the scramjet performance in the ground combustion heated facilities. The primary goal is to evaluate the effects of H2O and CO2, the two major vitiated species generated by combustion heater, on hydrogen-fueled supersonic combustor performance with experimental and numerical approaches. The comparative experiments in the clean air and vitiated air are conducted by using the resistance heated direct-connected facility, with the typical Mach 4 flight conditions simulated. The H2O and CO2 species with accurately controlled contents are added to the high enthalpy clean air from resistance heater, to synthesize the vitiated air of a combustion-type heater. Typically, the contents of H2O species can be varied within the range of 3.5%-30% by mole, and 3.0%-10% for CO2 species. The total temperature, total pressure, Mach number and O2 mole fraction at the combustor entrance are well-matched between the clean air and vitiated air. The combustion experiments are completed at the fuel equivalence ratios of 0.53 and 0.42 respectively. Furthermore, three-dimensional (3D) reacting flow simulations of combustor flowpath are performed to provide insight into flow field structures and combustion chemistry details that cannot resolved by experimental instruments available. Finally, the experimental data, combined with computational results, are employed to analyze the effects of H2O and CO2 vitiated air on supersonic combustion characteristics and performance. It is concluded that H2O and CO2 contaminants can significantly inhibit the combustion induced pressure rise measured from combustor wall, and the pressure profile decreases with the increasing H2O and CO2 contents in nonlinear trend; simulation results agree well with experimental data and the overall vitiation effects are captured; direct extrapolation of the results from vitiated air to predict the performance of actual flight conditions could result in over-fueling the combustor, possible inlet un-start and inappropriate combustion mode transition. The detailed analysis and discussion are presented and the research conclusions are summarized.     

超燃冲压发动机燃烧室出口温度场分布CARS测量

针对超燃冲压发动机研究中对燃烧室出口温度场的测量需求以及暂冲式超燃冲压发动机燃烧台架试验中的应用难点,开发了适用于瞬态燃烧场温度测量的单脉冲相干反斯托克斯拉曼反射（CARS）系统及CARS光谱计算和温度反演软件CARSCF。采用USED相位匹配方式来降低湍流影响,结合多尺度小波分析方法来实现CARS光谱降噪处理,提高信噪比。在暂冲式脉冲燃烧风洞上开展了来流马赫数2.6条件下超燃冲压发动机燃烧室出口温度测量试验,获取了超声速来流（冷态）建立、H₂点火加热空气、建立超声速燃烧流场直至试验结束过程中的燃烧室出口温度,以及煤油/空气燃烧时燃烧室出口温度场分布。结果显示,超声速冷流时温度处于低温（约205K）状态,随着H₂点火加热来流空气,来流温度上升至853K;随着煤油/Air点火,温度急剧上升,稳定燃烧状态下燃烧流场温度为1970K±144K。燃烧室出口截面温度场分布测量结果显示,高温区位于燃烧室出口截面上侧区域,而燃烧室出口截面上中间区域的温度低于上下两侧。燃烧室出口温度分布CARS测量结果与火焰自发光成像结果一致,表明单脉冲CARS技术用于瞬态燃烧流场温度测量的可行性。     

马赫数10超燃冲压发动机激波风洞实验研究

基于室温氢气驱动激波风洞实现总压28MPa、总焓4.7MJ/kg、名义马赫数10超声速空气自由来流模拟,开展二维超燃冲压发动机自由射流点火实验,实现稳定燃烧,燃烧持续时间5ms。通过此次试验,探索尝试了马赫数10超燃冲压发动机地面点火燃烧试验技术,初步获得了高马赫超燃冲压发动机点火/燃烧过程参数和基本现象规律。试验中,采用高速相机完整记录了氢气喷注、着火、燃烧现象和燃烧持续过程,采用高频压力传感器和热电偶进行沿程壁面压力和热流测量。研究结果表明,马赫数10自由来流条件下,气态氢燃料垂直喷入超声速来流能够实现自点火,并发生剧烈燃烧,燃烧区域压力上升幅度40%,壁面热流上升幅度达100%。     

H2O污染对超燃冲压发动机燃烧室性能影响的三维数值模拟

为了解来流污染对超燃冲压发动机性能的影响,需要大量的实验和CFD模拟。基于纯净空气和污染空气(H2O)来流下燃烧对比实验,采用较为详细的化学反应动力学模型(13组分33方程),对三个试验条件的燃烧室反应流场进行了三维大规模并行CFD模拟。模拟结果与对比试验测得的壁面压强比较接近,能"分辨"试验气体中H2O的污染影响。模拟结果显示,从燃烧室整体性能看,7.4%H2O和18.3%H2O污染导致燃烧室单位流量的空气对应推力分别下降4.1%和10.7%,而燃烧室燃烧效率分别下降5.5%和9.5%。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

LPP低污染燃烧室单头部燃烧性能试验

对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室单头部三级旋流器进行燃烧性能试验,研究不同的油气比、进口空气流量和进口空气温度以及值班级喷嘴安装位置对燃烧室出口截面燃烧性能的影响,获得了燃烧室出口截面温度分布、燃烧效率以及污染物排放的规律.试验结果表明:①油气比增加,NOx排放相应增加;头部A燃烧性能稍优于头部B;②同一油气比下进口空气温度越高,其燃烧污染物排放越多;进口空气流量越大,污染物排放越少;③值班级喷嘴安装位置对LPP低污染燃烧室燃烧性能有一定影响.      

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室,开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统,隔离段进口马赫数保持2.0不变,总压为1.05 MPa,来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力,并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时,燃烧室壁面峰值压力位置相同,同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系;来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升;在燃烧室当量油气比不变的条件下,来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降,隔离段内激波串长度缩短。      

Numerical study of test gas vitiation effects on hydrogen-fueled scramjet combustion

The effects of major vitiated species (H₂O and CO₂) and minor vitiated species (H,OH and O radicals) produced by combustion air preheater on ignition and combustion of hydrogen-fueled scramjet were numerically investigated.Firstly,kinetic analyses with CHEMKIN SENKIN code were conducted to evaluate the effects of contamination on the ignition delay times of hydrogen fuel over a range of temperature and pressure variations.Then numerical simulation of a three-dimensional reacting flow in hydrogen-fueled scramjet combustor was performed.The two-equation shear stress transport κ-ω turbulence model was used for modeling turbulence and 33 reactions finite-rate chemistry was used for modeling the H₂/air kinetics.The results show that: free radical species such as H,O,and OH may significantly promote the ignition process of hydrogen-air at relatively low initial temperature and pressure.However,H₂O and CO₂ have inhibition effects on the ignition process.Under the same conditions,H₂O has more effective inhibition effects than CO₂.The temperature and pressure rise due to combustion are lower in the air vitiated with H₂O and CO₂ because of their higher heat capacities and more dissociation.Combustion efficiency and thrust calculated for vitiated air case are lower than clean air case.These results indicate the importance of accounting for vitiation effects when extrapolating performance data from ground test to flight demonstration.      

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.     

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。