超声速单边扩张燃烧室分离区振荡现象及其解耦分析

为了揭示超声速燃烧中非定常现象的主导机制,通过解耦分析系统研究了单边扩张燃烧室中一种以分离区不稳定为特征的非稳态燃烧。采用控制变量的方法,对Ma=6条件(隔离段来流马赫数3.46,总温1430K)下燃烧不稳定的可能影响因素进行了解耦分析,并对典型工况在直连式实验台上开展了验证。研究表明,火焰不是本文中燃烧不稳定现象的主要影响因素,释热形成的反压才是该现象的主因。低当量比工况下反压较小,流场的非稳态机制由射流和凹腔共同主导;中高当量比工况下反压较大,非稳态机制由反压主导。射流与凹腔相互作用能形成周期性极强的非稳态过程,其压力振荡频率约为200Hz。在较高反压的驱动下,超声速燃烧室内会发生复杂的非定常现象,具体表现为激波串轴向大幅振荡,并伴有非对称分离区的间歇性切换。由反压主导的流场振荡周期性不强、频率以中低频为主(100～500Hz)。非稳态过程可能源于激波边界层干扰中的低频不稳定性,其被燃烧释热所形成的分离区放大,在下游反压的影响下形成了流场中复杂的非定常过程。     

流向弯曲壁超声速湍流边界层研究进展

流向弯曲壁面上的超声速湍流边界层特性是流体力学的重要科学问题,掌握其规律对提升高超声速飞行器设计水平有重要意义。国内外在该问题上的研究已经持续了50余年,近年来随着实验测量和数值模拟能力的提高,在流向曲率的影响机理上取得了突破性进展。本文系统梳理了流向凸曲壁及凹曲壁的超声速湍流边界层的演化机制,介绍了流向曲率、压力梯度和体积膨胀/压缩等关键因素的影响规律,总结了流向凸曲壁边界层湍流衰减的特性与成因,以及凹曲壁边界层中G?rtler不稳定和逆压梯度增强湍流的特性与成因。最后归纳其发展趋势,为下一步开展弯曲壁超声速湍流边界层研究提出了建议。     

矩形隔离段内激波串结构及其影响因素分析

隔离段是超燃冲压发动机的重要组成部分,主要作用是隔绝燃烧与进气道的相互干扰。隔离段中存在的复杂流动现象一直是人们研究和关注的重点。利用三维数值模拟方法对矩形隔离段激波串特性影响因素进行了研究,主要分析了不同来流马赫数、单侧和对称扩张角以及壁面凹腔等因素影响下的激波串特性。结果表明:在高来流马赫数条件下,隔离段内激波串长度变短,隔离段抗反压能力增强,总压损失增大;在单侧和对称扩张隔离段内的激波串结构存在差异,且隔离段后的流场总压损失与扩张形式无关;隔离段添加壁面凹腔后,在不同反压下会出现2种模态（亚临界凹腔模态和超临界凹腔模态）,2种模态下隔离段内激波串结构及流场参数特性有所不同,超临界凹腔模态下隔离段抗反压能力下降,总压损失增大。本文的研究结果可为隔离段和燃烧室设计及试验提供参考。     

基于平行层推移的含表观裂纹缺陷固体发动机装药燃面计算

将固体火箭发动机装药燃面视为运动界面,利用Level Set界面追踪方法追踪燃面变化过程,计算燃面肉厚曲线;空间、时间离散分别采用五阶高精度Weighted-ENO、三阶TVD Runge-Kutta格式;基于平行层推移规律,对某型号星孔装药进行燃面计算,对比Level Set方法与实体造型法计算结果,二者吻合较好;利...     

超声速反应流火焰面/进度变量模型

基于Pierce低马赫数条件下的火焰面/进度变量模型,考虑可压缩性和激波的影响,发展了用于超声速湍流反应流的火焰面/进度变量模型.该模型通过求解混合分数和进度变量两个标量方程来描述化学反应,且采用火焰面方程解的完整的三个分支:稳态燃烧分支、具有局部熄火状态的非稳态分支和完全熄火分支.利用该模型对德国宇航中心(DLR)的超燃冲压发动机进行模拟,与稳态火焰面模型得到的附着火焰不同,计算结果捕捉到了熄火和火焰抬举现象;且数值阴影和平均温度分布与实验结果吻合较好.      

一种改进的类DES湍流模拟方法

构造了一种基于一方程S-A(Spalart-Allmaras)模型和一方程Yoshizawa亚格子模型的混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large eddy simulation)湍流模拟方法.在涡黏假设的基础上,将Yoshizawa亚格子湍动能方程转化为等效的亚格子湍流涡黏性输运方程,并采用混合函数将其与S-A模型方程进行混合,从而改进了DES(detached eddy simulation)模型的亚格子行为,同时克服了其依靠网格控制模型转换的缺点.模拟了超声速的带斜坡凹腔流动,并与相同网格下的LES及DES结果进行了比较,结果表明该混合RANS/LES方法在远离壁面的自由剪切流区域与LES行为一致,而在附着边界层区域表现优于LES和DES方法.      

超声速燃烧室氢气强迫点火过程实验

模拟飞行Ma=4.0的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件,在直连式试验台上对超燃冲压发动机氢气火花塞点火过程进行了研究。通过高速摄影与高速纹影捕捉了点火过程初始火焰发展与流程波系演化过程。结果表明,初始火焰传播受高速对流、湍流火焰传播和自点火多种机制控制,凹腔结构不仅提供低速环境,还在初始火焰传播过程中具有能量反馈和质量反馈(活化分子)作用,促进剪切层内火焰的发展。     

超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程数值研究

采用Euler-Lagrange方法对来流马赫数为1.94的超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程进行数值研究。计算给出的射流穿透深度、液滴Sauter平均直径(SMD)及液滴速度分布均与实验吻合较好。仿真结果较详细地揭示液体射流喷雾与气流之间的强烈相互作用过程。受液雾影响,射流前形成较强激波,气流依次经过激波及液雾区域,气流速度存在两次下降过程。计算结果揭示,超声速来流可以与射流的液滴轨迹相交,气流经液雾前沿进入液雾区域后,流向往壁面偏折。本文首次发现并提出,由于气液相互作用诱导形成两组反向反转漩涡对,这对于理解两相混合过程具有重要意义。气液相对滑移速度的分析表明,液滴在穿透自由来流并开始转向时受气流作用最为显著,完成转向后气液相互作用逐渐减弱。     

宽速域超燃冲压发动机流动燃烧过程研究进展

随着对未来高超声速飞行器机动飞行需求的不断提升,发展宽速域超燃冲压发动机技术显得尤为重要,而宽范围来流条件将使得燃烧室内的流动、混合及燃烧等过程产生显著变化。尤其是超声速燃烧主要由混合过程所主导,呈现为典型的扩散火焰,来流条件的变化对燃料输运及混合过程影响极大,混合状态的改变进而会引起燃烧不稳定等一系列非稳态燃烧现象。本文对宽速域超燃冲压发动机流动燃烧过程进行了综述分析。首先,对超燃冲压发动机基本工作过程及应用进行了简要介绍;然后,分别论述了国内外关于低马赫数来流、高马赫数来流以及宽速域来流典型条件下超声速流动燃烧过程中亟待解决的关键问题和研究进展;最后,进行了总结并对后续研究提出了建议。     

基于主动喷注方式的后缘突扩凹腔激光诱导等离子体点火实验研究

针对马赫数2.92,总压2.6MPa和总温1530K的超声速来流条件,基于主动喷注乙烯的燃料喷注方案,在后缘突扩凹腔燃烧室中开展了激光诱导等离子体点火实验研究。通过采集50kHz的CH*基自发辐射图像,详细观测了火焰传播过程并进而研究了主动式燃料喷注方案对点火过程的影响。研究表明,在激光诱导等离子体点火以后,CH*基强度沿时间的变化会呈现出不同的阶段性特征,大体可以分为四个不同的发展变化阶段(激光激发阶段、初始火焰阶段、过渡阶段和全局火焰阶段)。对于采用凹腔主动式燃料喷注方案,都会经历一个类似的初始火焰形成、减弱、增长和迅速发展成全局火焰的过程,区别在于采用凹腔后壁面燃料喷注方案的初始火焰要更加微弱,而且要经历一个难以观测到CH*基信号的初始火焰沉寂阶段。在全局当量比0.03～0.07的条件下,凹腔前壁面燃料喷注方案要比凹腔后壁面燃料喷注方案更加利于初始火焰的发展,但在形成全局火焰以后会引起较大的波动不利于火焰稳定。