氧化剂含氧浓度对甲烷反扩散火焰光谱特性影响实验研究

为了研究氧化剂的含氧浓度对同轴射流甲烷反扩散火焰光谱特性分布的影响,采用光纤光谱仪对富氧层流甲烷反扩散火焰中发射谱线分别为314nm和430nm的激发态自由基OH*和CH*进行了光谱特性实验研究,分析了OH*,CH*辐射强度随氧化剂含氧浓度X_(O_2)的变化规律,及其沿反扩散火焰轴向与径向的分布特征。研究表明:甲烷反扩散火焰具有明显的内外双层结构,当氧化剂含氧浓度从21%增加到50%,反扩散火焰反应核心区直径增宽75%,而对火焰高度的变化却非常微弱。OH*和CH*辐射强度沿火焰轴向与径向均呈现先增后减的趋势。随着氧化剂含氧浓度增加,OH*辐射强度呈指数型增加,在距喷嘴出口2/3直径高度处处出现OH*和CH*辐射强度峰值,且峰值的轴向位置不随氧化剂含氧浓度X_(O_2)的增大而改变。     

三旋流燃烧室的数值模拟与试验

为研究三旋流高温升燃烧组织技术,借助CFD技术对三旋流单头部燃烧室进行了数值模拟,采用结构化网格生成技术、realizable k ε湍流模型、PDF（概率密度）燃烧模型等对其进行模拟计算,获得了燃烧室内流场和燃烧场分布及各方面的燃烧性能参数,同时试验研究了三旋流单头部燃烧室的火焰筒壁温、出口温度分布、燃烧效率、排气冒烟数。结果表明:三旋流燃烧室的温升高达1130K,燃烧效率超过99％,火焰筒壁温分布较好,冒烟数不高于20;所采用的数学模型合理、计算方法可行,与试验数据基本吻合,其结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。      

一种基于立体视觉技术的燃烧诊断方法

为了获得一种简便、易于操作的三维光学诊断方法,将双目立体视觉技术引入燃烧诊断领域,并验证了其在燃烧诊断领域应用的可行性。搭建了用于燃烧流场诊断的高速双目立体视觉系统,阐明了双目立体视觉原理并开发了配套软件,通过对标定模板上特征点进行三维重建验证了系统和软件的可用性,对特征点三维重建的绝对误差为0.17mm,相对误差为8%。实现了对非预混冲击火焰表面的三维重建,重建后的三维图像可以清晰地显示出火焰表面的三维几何结构。对一组连续拍摄的图像进行处理,得到火焰在微小时间间隔中的空间演变情况。实验结果表明,利用该技术可以实现对燃烧火焰的三维诊断,利用该技术进行的实验操作相对于其他的光学诊断方法而言也非常简单。     

基于拓扑优化的冲压发动机主安装节承力结构设计

针对冲压发动机主安装节承力结构优化,开展集中力扩散结构设计。首先采用工程方法设计放射肋扩散结构方案,然后开展拓扑优化设计。通过平板结构优化算例验证适合此类工程问题的内力均匀性约束条件,采用全域粗网格模型求解优化设计域、精细网格模型求解结构方案的二轮优化迭代的拓扑优化方法,得到最终优化结果。通过工程设计法与拓扑优化方法的对比,证明拓扑优化方法更适合处理多方向、多工况载荷的集中力扩散结构工程问题。结构拓扑优化方案对比放射肋方案：结构质量减轻2.6%;对应最大载荷(工况3)的结构最大变形量减少4.4%,结构最大应力减少10%;集中力扩散效果更好。设计方法的有效性得到验证,为集中力扩散结构优化探索出实用的设计思路和方法。     

激光冲击强化对加力燃烧室火焰探测器焊缝的影响

为了研究激光冲击强化（LSP）后加力燃烧室火焰探测器焊缝位置异常开裂原因,采用X射线衍射方法和金相方法对激光冲击强化效果进行分析,并利用扫描电子显微镜对断口进行了观察。在Abaqus有限元分析软件中建立了与观察到的焊缝缺陷相似的有限元模型,对焊缝缺陷的LSP处理及冲击波传播过程进行了模拟分析。试验结果表明：具有较好材料完整性的区域经LSP处理后,表面会预置较大残余压应力,同时表面金属晶粒得到细化,疲劳裂纹会在焊缝缺陷位置萌生和扩展。有限元分析结果表明：存在分层缺陷的焊缝经LSP强化后,冲击波会在分层缺陷处产生反射,造成分层位置发生开裂,形成裂纹源造成疲劳开裂。根据试验和仿真分析结果,为提升火焰探测器焊缝激光冲击抗疲劳效果,建议优化焊接工艺,提高焊接质量。     

航空发动机氨燃料分析及流量需求计算

为了减少航空发动机由于燃烧含碳燃料产生的碳排放,针对含氨燃料作为航空发动机替代燃料的可行性问题,基于CFM Leap 1-A发动机的性能参数,运用能量守恒转换关系及氨的化学催化分解反应,对含氨航空燃料的成分配比及航空发动机氨燃料供应系统和流量需求进行计算。结果表明：氨氢混合物比纯氨具有更好的燃烧性能,可使燃料层流火焰速度达到一些传统碳氢燃料的水平;氨气可以被分解出氢气并完成氨氢混合,成为一种航空发动机新型替代燃料;确定了新燃料中最优的氨氢比为3∶2;提出了此种新燃料在航空发动机中的应用方式,并依照航空发动机的性能需求确定了使用新燃料情况下的燃料流量;氨分解所需热量可由少部分氢气的燃烧来提供。在正确配比燃料中氨氢组分、正确分配燃料流量、并设计氨催化分解系统的前提下,能使得发动机保持与使用传统碳氢燃料类似的燃烧性能和功率水平,并减少碳排放。     

航空发动机排气系统雷达散射特性数值计算

为了获取航空发动机排气系统的雷达散射特性,以亚巡状态典型发动机排气系统物理模型为基础,采用高频计算方法弹跳射线法计算了排气系统在6、10、15 GHz 3个典型频点下水平极化与垂直极化的雷达散射截面（RCS）分布规律,并通过计算10GHz频点的热点成像确定了排气系统中的强散射源。结果表明：随着频率的提高,雷达波对目标细节的探测能力有所增强,排气系统RCS曲线上的强散射峰值数量明显增加,且分布位置有所不同;随着俯仰角的增大,排气系统在水平探测面-30°～30°内的RCS散射峰值的分布位置与强度均发生变化,与俯仰角0°时相比,RCS均值最大降幅可达94.1%;综合不同探测角度下的成像情况,支板、加力内锥、火焰稳定器与喉道截面热点强度较大,是雷达波的强散射源,也是发动机雷达隐身需要关注的重点。     

尾缘吹气式稳定器后体角对燃烧性能影响的试验

通过数值模拟了后体角为60°,120°和180°三种尾缘吹气稳定器的回流区,试验测试了后两种稳定器的冷态雾化场、贫熄边界和燃烧效率,从而研究了尾缘后体角改变对其燃烧性能的影响.试验结果表明由于后体角直接影响回流区大小和雾化质量,从而影响稳定器的燃烧性能.燃烧试验表明120°尾缘吹气稳定器贫熄边界和燃烧效率优于后体角为180°的稳定器和槽宽大50%的V型稳定器.      

冲击/发散冷却壁温分布和冷却效率研究

针对高温升燃烧室长寿命火焰筒的要求,实验研究了孔排列方式、发散壁壁厚与孔径之比以及单位面积开孔率对壁温分布和冷却效率的影响.实验中冷却气为常温常压,主流速度20m/s,发散壁孔内气流与主流速度比为0.63,主流与冷却气温度比为1.6.实验结果表明:长菱形排布与正菱形排布相比冷却效率更高,但孔的排布方式对于壁温分布的影响较小;增大发散壁壁厚与孔径比可以增强冷却效果,并使壁温分布变得均匀;而减小单位面积开孔率对于壁温分布的影响较小,同时冷却效率也会降低.      

浮力效应对射流扩散火焰转捩特性影响的实验研究

对不同空气伴流速度下丙烷层流射流火焰向湍流火焰的转捩过程进行实验观测，分析伴流对火焰转捩行为及稳定性的影响.相对于静止环境中的射流火焰，较大速度的伴流可以减小浮力效应对射流扩散火焰转捩过程的影响，使火焰发生转捩的临界Reynolds数（Re_cr）增大，即火焰推迟转捩.但当伴流速度较小时，Re_cr保持不变，转捩过程中的射流火焰发生周期性振荡，振荡幅度随着伴流速度的增大而减小，继续增大伴流速度，火焰振荡的周期性最终消失，转而呈现随机性.实验还发现，喷嘴直径较大的扩散火焰的Re_cr更大.考虑到火焰对燃料射流局部流动状态的影响，对此现象进行了解释.