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研究(Ⅱ)导流型凹槽对增强掺混和火焰稳定的影响初探

对新型三维导流型凹槽的流动、燃料喷注、雾化、惨混及燃烧特征进行了初步研究，并与传统二维结构凹槽的流动进行了对比。结果表明：(1)与传统二维结构的凹槽相比，导流型凹槽能够诱导较强的横向漩涡和湍流，促进凹槽内部及凹槽与主流的动量、能量和质量交换，从而增强超燃掺混和火焰稳定。但其效果随具体结构和流动条件存在差别。(2)导流型凹槽在增强火焰稳定的同时加剧了凹槽内部的流动不平衡。这种不平衡对凹槽内部的燃油喷射及雾化有重要影响。应该在不同的凹槽结构和流动条件下合理设计并优化喷注方案。(3)计算中观察到由于凹槽附近剧烈的燃烧导致了局部回流。     

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。     

当量比对单凹腔超燃燃烧室流场影响的三维数值模拟

 采用有限体积形式的上下三角分解（LU）隐式格式和k-g湍流模型,求解了多组分的N-S方程组。以北京航空航天大学宇航学院直连式超燃实验台的煤油燃烧实验为算例,开展了当量比φ＝0.32~0.97下5个工况的煤油超声速燃烧流动的三维并行数值模拟。计算结果表明：燃烧主要发生在煤油喷嘴所在的下壁面附近,流动出现亚声、超声的分层现象,高当量比工况下燃烧放热形成高的反压时,凹腔所在的燃烧室段出现激波串流动结构。计算得到的壁面压力分布曲线与实验结果符合良好。     

煤油燃料超声速燃烧室火焰面模型应用探究

为了探究煤油燃料超燃流场是否满足火焰面特性,基于双支板超燃燃烧室开展试验与数值模拟研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K,燃料由支板分级喷注。根据燃烧室计算结果与火焰面模型判据可知:在微观上,绝大部分燃烧区的Karlovitz数不超过100,耗散涡不会对火焰结构产生显著影响,可近似满足火焰面要求;在宏观上,燃烧区的Damkohler数远高于局部熄火临界值,湍流强脉动导致的破碎火焰时均化具有层流火焰特性,雷诺时均N-S(RANS)方程结合层流火焰面计算与该特性是相符合的。试验中,不同上游当量比导致燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态,火焰面模型结合煤油23步反应机理可以准确描述两种燃烧状态的湍流燃烧特性,因此RANS结合火焰面模型在煤油燃料超声速燃烧室数值模拟方面具有一定的适用性和准确性。     

带凹腔的超声速燃烧室燃烧流场数值模拟

对带凹腔结构的燃烧室二维甲烷燃烧流场进行了数值模拟.采用迎风3阶精度MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程,湍流模型采用剪切修正的RNG k-e湍流模型,分别分析了凹腔不同的长深比和导流槽结构对燃料燃烧的影响;对喷甲烷燃烧工况进行了计算研究.结果表明:凹腔可以提高燃烧效率,却使总压恢复系数降低;凹腔的长深比越高,燃烧效率越高,总压恢复系数越低;在总压恢复系数较高的情况下,采用导流槽可进一步提高燃烧效率.     

煤油燃料RBCC亚燃模态掺混与燃烧数值模拟研究

为了探索RBCC(Rocket Based Combined Cycle)亚燃模态条件下掺混燃烧性能,对多种工况进行了数值计算。对比分析了各工况下的燃烧室压力、掺混反应效率、总压损失等参数来分析燃烧室内部特性的变化。从数值模拟的研究中可以发现:由于RBCC亚燃模态的特点,一次火箭高温羽流,使得喷注的燃料能够有效地雾化蒸发,通过支板的混合增强作用能有效地提高煤油燃料的掺混能力,凹腔又适当的延长了煤油在燃烧室的停留时间,形成有效的火焰稳定区域,两种有效的火焰稳定方式的结合能实现液体燃料稳定有效的燃烧,而且双凹腔前后组合也能提高燃料的掺混燃烧能力。从计算中还可以发现,合理地布置支板与凹腔的相对位置能提高燃料的掺混反应效率,实现燃料的充分燃烧,并对燃烧性能提高有明显的帮助。     

冲压燃烧室V型燃料喷射结构的分离涡模拟

液态燃料的喷注方式会显著影响火箭基组合循环(RBCC)发动机燃烧室的火焰组织与燃烧效率。通过湍流流动的分离涡模拟,数值计算了RBCC燃烧室液态煤油喷雾燃烧的三维两相流动,并提出了采用V型阵列结构的喷孔空间组合形式,研究结果表明,V型喷孔排列结构,消除了侧壁液态燃料蒸发对值班火焰所带来的消极影响,并通过调整不同喷孔流量,强化了中间喷孔射流形成的值班火焰,相对于直线喷排,可拓宽火焰稳定阈值,提高燃料的蒸发效率与燃烧效率。     

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。     

Scramjet整机流场的非结构网格并行数值模拟

为了得到某支板喷氢超燃冲压发动机内流场的细节,采用非结构网格CFD隐式解算器,耦合求解Na-vire-Stokes方程、组分连续方程和M enter的k-ω应力剪切传输(SST)湍流模型,对整机模型的冷流和三个当量油气比的湍流反应流进行了三维并行模拟。给出了流线和水的分布云图,分析了支板附近旋涡和推进流道一维质量加权平均的马赫数、静温、组分质量分数及燃烧效率等参数随当量油气比的变化,并将壁面压力和实验值进行了比较,吻合较好。除=0.8在支板附近出现了小范围亚声速外,其余状态整个内流道超声速占主流。     

预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟(Ⅱ)数值模拟结果及分析

用三维湍流N－S方程和单步快速不可逆化学反应描述液氧－煤油液体火箭发动机预燃室内的三维湍流和燃烧过程。采用同位网格和SIMPLE算法求解控制方程，得到了喷注单元和预燃室内参数的详细分布。结果表明，预燃室结构设计合理，其出口处燃气浓度、温度分布均匀，质量加权平均温度与实际温度拉近，同时表明，预燃室头部的喷注单元和液氧二次喷注孔的结构排列，喷注单元的流动和燃烧状况，液氧二次喷注孔的入口参数等，对预燃室出口燃气温度等参数分布的均匀性影响很大。     

燃气轮机双燃料燃烧室流场对比数值研究

针对燃气轮机环管型双燃料燃烧室分别燃用庚烷和裂解气燃料的情况,采用CFD(computa-tional fluid dynamics)技术对其燃烧流场进行对比研究.数值模拟采用了RNGk-ε湍流模型、化学平衡条件下的快速化学反应系统和简单概率密度函数(PDF)燃烧模型、液体燃料的喷雾模型以及SIMPLE算法.模拟对比分析了两种燃料燃烧下的温度分布、燃烧效率、流量分配、壁面冷却效果、空气过量系数等参数,以及它们随工况变化的趋势.所得结论如下:①不同燃料燃烧时,流场内的流量分配基本保持一致;②裂解气燃料燃烧时,其燃烧效率高出燃油状态约1%,但出口温度均匀性较差;③在加入相同化学焓值的燃料进入燃烧室时,裂解气燃料的头部空气过量系数α较大,所得到的出口平均温度低于燃油状态约20～40 K.      

Hyshot超燃冲压发动机的CFD数值模拟

以Hyshot超燃冲压发动机试验为研究对象,分别对冷流和燃烧工况进行了CFD数值模拟.冷流模拟计算得到的壁面压力与试验结果吻合良好,且数值计算压力分布对采用的湍流流动模型不敏感;但是采用不同的湍流流动模型计算的湍流参数(湍动能和耗散率)差别很大,会对氢气燃料与气流的掺混产生重要影响,进而影响燃烧模拟结果.采用SST(shear stress transport)k-ω湍流流动模型和EDM(eddy dissipation model)湍流燃烧模型得到的模拟结果与试验结果基本吻合,但是计算压力峰值略靠后.对8个不同氢气燃料喷射角度的工况进行数值模拟结果表明喷射角度为99°和114°时燃料和空气混合最好、燃烧效率可达到最高.     

H2O污染对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧室性能影响的数值模拟

在超声速燃烧设备上进行了带凹槽的直连式双模态煤油燃料超燃冲压发动机污染与纯空气来流的对比试验.为了研究来流污染对超燃冲压发动机试验性能的影响,在相同的试验气体参数(马赫数为2,总温约为828K和总压约为800kPa)下,对带凹槽煤油燃料燃烧室进行了一系列对比燃烧试验.采用AHL3D软件对3个试验条件的燃烧室反应流场进行了数值模拟.计算和试验得到的压强分布比较接近且趋势一致.通过数值模拟获得反应流场的细节,探究污染影响的机理.      

高温引气对亚燃冲压燃烧室性能影响的研究

将高温引气加热煤油的方法、凹腔火焰稳定器和支板喷注器结构应用于亚燃冲压发动机燃烧室中,以提高煤油的点火能力和火焰稳定性。采用有限体积方法求解雷诺平均N-S方程及组分方程,对无引气和有引气时燃烧室内的流场结构进行了数值研究,对比研究了引气温度对燃烧及发动机性能的影响。研究发现,引气温度越高,燃料喷注对流场和温度场的影响越小,燃料分布越均匀;与无引气相比,引入高温气体虽然使总压恢复系数有所降低,但是混合效率、燃烧效率和燃烧室比冲都有提高;特别是有引气(煤油温度T=500K)时,在喷注点后X=480mm处混合效率提高了7.03%并混合完全,在燃烧室出口总压恢复系数降低了5.34%,燃烧效率和比冲分别提高了17.51%和20.29%。引入高温气体加热液态煤油省略了煤油的雾化和汽化过程,增强了燃料与空气掺混,改善了燃烧稳定性,有利于提高燃烧室整体性能。     

性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响,对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供,总温为1231K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室,全局当量比恒定为0.8,采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ω SST模型来模拟湍流;离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程;部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用;煤油采用正癸烷(C10H22)作为替代燃料,其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好,表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析,可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区,上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘,下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3,上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构,下游反应区则逐渐缩小;预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动,进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流,而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流;燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%,燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N;然而,燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

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。     

燃料喷射位置对凹槽火焰稳定特性的影响

采用混合分数平衡化学模型,燃烧与紊流相互作用的PDF模型和离散液滴模型,研究了不同位置喷射燃料对双模态冲压发动机燃烧室中煤油超声速燃烧凹槽火焰稳定特性的影响。结果表明,凹槽内均出现燃料和空气的混气,以及燃烧产生的高温区,可以达到稳定火焰,增强燃烧的目的;从凹槽局部参数以及燃烧室壁面静压的分布来看,凹槽上游0位置喷射燃料,更有利于燃料与空气的混合、燃烧,并且燃烧室总压损失较小,是最佳的喷射方式。验证了我们在实验研究中的所采取的设计方案。同时,有关煤油超声速燃烧的研究可以通过数值实验,并对实验测量起到指导作用,从而减少风洞实验次数。     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。      

液体碳氢燃料超燃冲压发动机支板凹槽稳焰技术试验

液态碳氢燃料点火、稳焰技术是超燃冲压发动机的关键技术之一,是发动机获得推力性能的先决条件。采用直连试验手段,对支板凹槽组合稳焰技术进行了研究,比较了不同燃料喷注方式和不同支板凹槽组合方式对点火、稳定燃烧的影响。结果表明支板喷射与支板凹槽组合稳焰的燃烧组织方式,可以实现在低飞行马赫数范围（Ma0=4～5）液体碳氢燃料的可靠点火与稳定燃烧,并获得较好的燃烧性能。