冷却环带结构形态及离心角度对流场的影响

为了优化冷却环带局部喷注结构的型面参数,延长液膜存续寿命,采用广义超临界流体定义方法,对高压液氧煤油火箭发动机推力室第一环带的液膜流动特性进行了数值研究。分析了喷注结构的内边弧度半径和冷却剂的入射离心角度对流线发展、介质分布、湍流动能等的影响。结果表明,受超临界流体物性参数的突变影响,入口上、下游壁面处均会出现涡流效应,阻碍当地对流换热作用,阻断液膜铺展并引起液壁分离现象,加剧气液卷吸掺混;增大内弧半径可扩大液膜有效区域,半径为2.0mm时,有效区占比为59.2%;提高入射离心角可显著减弱涡流效应;2.0mm的内弧半径和84°的入射离心角为最佳工况组合,采用该方案可大幅优化液膜的稳定性和顺滑性。     

航空发动机全飞行包线稳态划分方法研究

航空发动机在鲁棒控制器设计过程中存在飞行包线区域难以系统划分的问题,为此,提出基于推力耗油率特性和基于动压耗油率特性的航空发动机飞行包线划分法。根据某型涡扇发动机在全包线范围内稳态工作时的推力、耗油率及动压特性,结合大气条件的客观规律,通过两种划分方法将飞行包线划分为65 个区域,用每个区域对应标称点的参数代替其周围小偏差区域和边界点参数。通过对该发动机全包线内各区域标称点与边界点参数的对比,证明两种方法均对全飞行包线划分有效,可为后续航空发动机控制器设计提供理论基础。     

新型航空发动机空气冷却器流动传热性能试验

空气冷却器是航空发动机中空气热量交换的重要场所,针对传统扰动结构强化换热不足问题,重点研究了空气冷却器 中扰动结构的结构形貌特征与流动换热的关系。以三周期极小曲面结构为基础,设计制造了D型极小曲面扰动结构、P型极小曲 面扰动结构和基于Sigmoid函数杂化方法的D-P型（P-D型）结构。并利用纳米CT重构出样品的3维数字特征,试验研究了不同结 构来流速度与压降、换热性能和综合换热性能的关系。结果表明：D型极小曲面结构具有最优的压降、换热性能和综合换热性能： D-P型杂化极小曲面结构的阻力系数f最大,比D型结构的高56.81%;D型的平均努塞尔数Nu比P型的高18.49%,P-D和D-P杂 化结构的换热性能比P型结构的有效提高;P-D型D-P型杂化结构的Nu分别比P型结构的高2%和8.27%。在4种结构中,D型结 构的综合换热性能最优,分别比P型、P-D型、D-P型结构的高40.35%、57.2%、71.02%。     

驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析

为研究驻涡燃烧室在前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能,采用3维数值仿真模拟方法,对驻涡燃烧室前钝体燃料喷射 状况下的燃烧效率及燃烧室性能与无前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能进行了对比分析,并对驻涡燃烧室的冷流以及燃烧状态 下的燃烧室性能进行了系统研究。燃烧室温度分布表明：前钝体顶部燃料喷射在0.2~0.7的喷射系数范围内,缩短了燃烧室火焰 长度,提高了燃烧室在相同轴向长度下的燃烧效率,使燃烧室更加紧凑;驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射孔的孔径在一定范围内 的变化对燃烧室的燃烧效率、出口温度分布系数以及总压损失影响较小。     

可重复使用宽域高速飞行器低速段动力方案分析与选型

为快速评估不同类型的发动机方案在可重复使用宽域高速飞行器上的适用性,对飞行器动力方案中至为关键的低速段动力方案进行了综述分析。系统研究了不同动力方案在解决宽域工作问题方面基本原理的差异,给出了各方案的工作过程及宽域工作性能,并概括分析了典型方案所适配的目标飞行器的基本情况,为飞行器总体动力方案的设计提供参考。研究结果表明：宽域高速飞行器任务需求差异对低速段动力方案的选择具有重要影响;宽域加速型任务与高速巡航型任务差异较大,但随着飞行器马赫数上限的增加,两种任务模式下低速段动力方案选择的差异开始变小;对于某一确定飞行任务的宽域高速飞行器,满足其加速需求的低速段动力方案也不唯一;基于涡扇的变循环发动机方案、燃料直接预冷发动机方案及火箭冲压RBCC与现货涡轮发动机组合的方案在加速型任务与高马赫数巡航型任务中均可适用;基于现货发动机改造及组合的低速段动力方案,在低成本、高敏捷的两级入轨飞行器第一级中应用前景较好。     

预冷型组合循环发动机技术

预冷型组合循环发动机具有工作速域宽、比冲高和推重比大等优点,在未来空天领域有广阔的应用前景。本文首先回顾了LACE、SABRE和ATREX等主要预冷型组合循环发动机的工作原理、技术特点和研究情况,对各型发动机热力循环中面临的难点问题进行了分析。其次,针对发动机预冷器、压气机、涡轮和燃烧室等关键部件,建立了热力循环计算模型,研究了预冷和燃烧对冷却剂的流量需求问题、预冷器与压气机性能参数匹配问题和压气机与涡轮共同工作问题等。结果显示,1.0～2.0倍当量比的氢在马赫数0～4.5速域内能将空气冷却51～476 K,而相同流量的甲烷在马赫数0～4.0速域内仅能将空气冷却24～182 K;熵函数用于表征预冷器和压气机在热势差效应和功热转换过程中的能量损失总和,根据发动机性能需求,在熵函数图上可设计不同的当量比-压比（φ-π_c）协同工作线;涡轮总功率是影响预冷发动机压气机压比的主要原因,与传统涡轮相比,驱动涡轮的工质（冷却剂）流量小,要求涡轮单位功率高,给涡轮设计带来挑战。最后结合评估结果对预冷型组合循环发动机的未来发展提出了一些建议。     

三轴承矢量喷管红外辐射特性

针对涡扇发动机用三轴承矢量喷管（3BSN）,通过数值模拟的方法研究了在巡航和垂直起降（VTOL）状态即非矢量和90°矢量状态下三轴承矢量喷管的红外辐射空间分布特征,并分析了其影响机理。结果表明,在非矢量状态下由于特殊的几何型面使得喷管下壁面出现了局部高温区,喷流形状也变成椭圆锥形,造成垂直探测面上正探测角壁面红外辐射较负探测角最大增加44.6%,水平探测面上的燃气红外辐射大于垂直探测面;90°矢量状态下,由于偏转的喷管结构对前端高温部件的遮挡,总辐射峰值仅为非矢量状态的43.3%;喷管90°矢量偏转使得远离曲率中心一侧的气流速度降低温度升高,喷管外侧出现了大范围的局部高温区,导致垂直探测面负探测角范围的壁面辐射大于正探测角范围,最大相对差值达到71.9%。喷管偏转也遮挡了部分喷管内部的高温燃气,垂直探测面负探测角的仅能覆盖喷管出口处的高温燃气区域,明显小于正探测角,造成燃气辐射出现了20%的最大相对差值。     

涡扇发动机全包线加速控制计划改进方法研究

加速控制计划直接影响了发动机的响应速度以及运行安全。为了提高发动机响应能力,提出了一种基于等温度线的发动机全包线加速控制计划。分别针对稳态和动态过程开展相似换算误差分析,证明并验证了关键参数在等风扇进口温度时,具有较高相似换算精度的规律。基于此换算误差理论,提出全包线加速控制计划改进方法,该方法在不同等风扇进口温度下设计多条加速控制计划,再通过线性插值得到包线内不同等温线下的加速控制计划。结果表明,改进后的加速控制计划相比于传统单点优化得到的加速控制计划,发动机加速至最大转速的98%所需的时间减少了7.2%,最大转速提升了1%,且风扇、压气机喘振裕度和涡轮前温度等均未超出限制值。因此,该方法相比于传统单点优化方法既提升了在包线内获取的加速控制计划的精度,又确保了发动机在包线内安全稳定工作的前提下更好的发挥加速性能。     

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

基于显式预测控制的涡扇发动机控制器设计

模型预测控制因其能够较好地处理涡扇发动机约束问题且实现多变量控制而具有较大的应用潜力。为了解决传统模型预测控制算法在实际应用中存在运算量大、实时性较差的问题,基于显式模型预测设计了航空发动机多变量控制器。在控制结构上采用多速率双闭环系统,保证了控制精度;在计算上通过多参数规划将在线优化问题转化为线性函数计算问题,大幅度减少了计算量;在发动机从开环切闭环的过程提出一种增量式切换方法,实现无扰切换。数值仿真和硬件在环仿真结果表明,转速和压比稳态误差分别不超过±0.25%和±1%,控制器在25ms控制周期内能完成计算,满足嵌入式系统实时性要求。