液体冲压发动机燃油充填过程仿真研究

为了研究液体冲压发动机在起动期间燃油的动态充填过程,利用AMESim仿真软件对冲压发动机燃油调节控制系统进行了建模仿真.建立了空气涡轮、离心泵、燃油调节器、燃油控制器、膜片阀及充填管路的仿真模型.基于该模型对冲压发动机点火起动时的燃油充填过程进行了仿真计算,分析了不同膜片阀破裂散差情况下冲压发动机充填过程的差异.结果表明,在给定涡轮入口压力条件下,当燃烧室各供油路膜片阀破裂散差过大时,会造成破裂压差大的膜片阀所在的管路无法实现可靠充填,从而影响发动机的点火起动过程和正常工作.     

火焰稳定器相对参数对水冲压发动机燃烧及其内流场的影响

在水冲压发动机燃烧室中设置钝体火焰稳定器,可使部分已燃高温燃烧产物在火焰稳定器后部的回流区内不断点燃新鲜的可燃混合物,从而实现稳定高效燃烧。通过改变火焰稳定器相对金属燃料入口高度及相对一次进水位置,对比分析了相对入口高度和相对一次进水位置两种不同相对参数对于燃烧室内掺混、燃烧以及火焰稳定效果的影响。结果表明:当相对高度$H>\mathrm{1}$时,燃烧火焰无法稳定在回流区。当火焰稳定器相对位置不变时,在一定范围内,随着相对高度$H$减小,火焰稳定效果增加,且存在较优的相对高度($H=\mathrm{1}$)使燃烧室内的掺混效率和火焰稳定效果较好。当保持相对高度$H=\mathrm{1}$不变的情况下,综合考虑火焰稳定效果、铝/水掺混效率以及发动机工作性能,$L=\mathrm{0.5}$是较为理想的火焰稳定器相对位置。      

几何结构可调的亚燃冲压发动机性能研究

液体亚燃冲压发动机结构简单、推重比高,是高动态临近空间飞行器的最佳动力装置,临近空间飞行器的飞行速度范围宽、距离远,亟需采用几何结构可调技术来提高冲压发动机的性能。本研究对具有固定、连续可调进气道和尾喷管的冲压发动机性能进行了计算和比较。结果表明,采用连续可调喷管的冲压发动机的性能大大优于固定几何结构的冲压发动机,进气道可调带来的冲压发动机性能增加远小于喷管连续可调带来的发动机性能增加。     

超燃冲压发动机尾喷管进口气流角畸变研究

为探索气流角畸变对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响,本文开展了喷管在单一气流角畸变和耦合畸变进口条件下的数值模拟研究。首先简要介绍采用的数值模拟方法,并根据实验结果校核数值方法的有效性。同时为得到准确的数值结果,进行了网格无关性研究。然后,通过数值模拟获取超燃冲压发动机燃烧室出口气流参数,用于研究气流角畸变对喷管性能的影响并讨论了其影响规律。在此基础上,进一步研究了气流角畸变与马赫数畸变相互耦合对喷管气动性能的影响。结果表明,气流角畸变对推力影响很小：推力系数变化仅为0.37%;但对升力和俯仰力矩影响显著,相应增幅分别可达51.84%和12.11%。此外发现气流角畸变和马赫数畸变对喷管气动性能的影响是相互独立的。因此在超燃冲压发动机喷管的相关研究过程中,有必要对气流角畸变加以考虑。另外还需要关注由于气流角畸变导致的喷管升力和俯仰力矩变化对飞行器整体稳定性的影响。     

凹腔燃烧截面波系及温度场同步显示研究

凹腔作为超声速燃烧室的典型构型,对燃烧状态下的相关物理量进行准确诊断,有利于定量分析和研究超声速燃烧的机理。相对此前采用激光纹影等通程积分密度场显示方法,研究设计了一套锐聚焦深度小于1mm的激光聚焦纹影,用于显示凹腔截面的燃烧流场波系结构;同时利用羟基平面激光诱导荧光（OH-PLIF）和聚焦纹影同步诊断同一截面的温度场和密度场。试验结果表明,所显示截面内的波系结构清晰,得到了更多流场细节,同时也标记出了该截面内氢气燃烧状态,二者具有较好的一致性。该同步诊断结果可以更好地了解剪切层在燃烧室的运动及燃烧发展轨迹,以及不同参数的氢气喷射对剪切层和燃烧状态的影响等。获取同一截面的波系结构和燃烧状况的同步数据,对于研究燃料喷射以及凹腔燃烧等具有一定的参考价值。     

低压比煤油涡轮数值计算与优化设计

小流量煤油涡轮泵可用于膨胀循环超燃冲压发动机燃料供应系统,针对特定工况提出了超临界/裂解态煤油基低压比涡轮的数值计算方法和优化设计策略。根据液体火箭发动机中典型的涡轮设计方法获得了低压比煤油涡轮的设计方案,采用湍流模拟方法结合煤油的多组分代理模型对25kr/min转速下的涡轮内部超临界态流动进行数值计算,发现设计方案的轴功率超过所需轴功率的120%,不利于涡轮泵系统在设计点工况下的稳定运转。取涡轮轴功率大于所需轴功率为约束条件,选择涡轮结构尺寸为设计变量,以两个目标量(优化方案的轴功率和效率相对于设计方案的变化率)的加权函数值最大为目标,基于响应面模型和多岛遗传算法开展渐进优化,优化过程中采用i SIGHT平台集成了3维参数化建模和流场仿真等C++程序和软件以实现数值计算自动化。利用试验设计方法建立样本数据库,并进行了涡轮轴功率和效率关于设计变量的灵敏度分析,发现二者成合作关系;所得涡轮优化方案的两个目标量分别下降16.5%和2.9%,以较低的效率损失为代价实现了轴功率的良好配合。     

涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机方案研究

针对临近空间飞行器及空天飞行器使用需求,提出了涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机(Turbine-based dual-combustor scramjet combined cycle propulsion,TBDC)概念,由成熟涡轮与双燃烧室超燃冲压发动机并联组成,Ma0～2.5以涡轮模态为主,Ma2.5～6+主要由双燃烧室超燃冲压发动机提供推力。分析了双燃烧室超燃冲压发动机启动马赫数低、工作包线下边界宽域特点对解决涡轮基与冲压级模态转换过程中普遍存在的"推力陷阱"的有效性和双燃烧室技术应用于组合发动机的可行性,研究了双燃烧室发动机适应组合发动机一体化构形和性能保持、统筹组合发动机可调进气功能拓展双燃模态工作边界的技术途径,完成了组合发动机典型状态点性能仿真和关键技术梳理。研究表明,涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机有望在Ma2.5～3实现模态转换、推力顺畅接力,适应Ma0～6+高速宽域飞行需求。     

弹用模块化Busemann进气道数值研究

对经过附面层修正后的模块化扇形流管流线追踪进气道进行了数值模拟,以截短角度和收缩比对这种进气道总体性能的影响进行了研究,主要得到以下结论:附面层修正能够大幅提高进气道的流量系数和流场均匀性;经附面层修正后的扇形流管流线追踪进气道有较好的性能,流量系数能达到0.9以上,在流管内没有大的分离区;进气道流量系数和压缩量随着截短角度的增大而增大,而收缩比越大,流量系数越小,压缩量越大;发动机推力与进气道流量系数有关,发动机推力和比冲基本上均随截短角度的增大而增大,而收缩比对它们的影响并不明显.      

一种缩短隔离段简易措施的实验研究

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短隔离段长度,设计了一种带等宽度平直斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口下壁面厚附面层一侧,在M1.98非对称的隔离段进口来流条件下完成吹风实验。实验结果表明,隔离段加等宽度平直斜楔后可在同样的反压下使激波串相对长度从13.87缩短至11.12,缩短了2.75。同样的隔离段加斜楔后能够承受的最大反压从来流静压的3.55倍上升到3.85倍,提高了8.45%左右。     

22MnB5超高强钢板热成形中的回弹机理分析

回弹是影响热冲压件形状精度的主要因素,为研究影响22MnB5超高强钢板热冲压成形中回弹的因素,在不同温度下对22MnB5高强钢板进行拉伸试验,考察了变形温度和应变速率对弹性应变和蠕变应变的影响,获得其热力学性能。通过等温度和非等试验考察了变形温度、热成形终了温度和压边对热成形后回弹的影响。采用有限元法对槽形件非等温热成形过程进行了数值模拟。从试验结果和模拟结果可知,热效应是引起回弹的主要因素,蠕变应变减少了热成形后的回弹量。蠕变应变和热效应是影响热成形中回弹的主要因素。