超声速燃烧中的特征尺度及影响因素

针对超燃冲压发动机典型的飞行条件,分别以氢气、乙烯和煤油(由质量分数为0.8的正十烷和0.2的三甲基苯化学替代)作为燃料,分析了超声速燃烧中的特征尺度及其影响因素,给出了细致的超燃冲压发动机工作范围,并探讨了火焰面模型在超声速燃烧数值模拟中的适用性.结果表明:从氢气、乙烯到煤油,超燃冲压发动机工作范围依次减少,丹姆克尔数(Da)呈现量级的变化,火焰模式以旋涡小火焰为主,其中Taylor尺度起着关键性作用.同时也发现:相对于亚声速燃烧,在超声速燃烧的数值计算中,对能否采用火焰面模型还需要更加仔细的考虑.      

注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响

基于脉冲燃烧风洞直连式试验平台,利用壁面压力测量和高速摄影等手段,研究了注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响.考察了不同油位单点注油时的注油特性,利用高速摄影揭示了各个油位的火焰发展历程.在产生有效推力及防止进气道不起动的限制下,确定了各个油位的贫油最低当量比、富油最高当量比.研究了第1油位、第2油位和其他油位组合注油时的耦合作用.以隔离段未扰动区域长度、燃烧室内推力、燃料比冲为指标,探寻了燃烧性能最佳的注油方式.试验获得的隔离段未扰动区域长度最大为149.6mm,燃烧室内推力最大为1622.3N,燃料比冲最大为1354.0s.      

非预混火焰热斑产生和演化的理论计算

对于非预混火焰来说,燃烧反应区被扩散掺混作用控制,火焰体现出比较强的分布式特征,在扰动较大的情形下,火焰面会出现被撕裂的特征。这种情况下,热斑的产生和演化问题就成了非预混火焰稳定性研究中的一个重要问题。以一个理想二维平板非预混火焰为研究对象,在伯克-舒曼经典假设的前提下,通过格林函数法理论计算非预混火焰热斑的产生与演化的整个过程。研究发现较小的St数、较大的Pe数以及较快的对流速度有利于热斑向燃烧区下游的传播。这些结果将有助于理解非预混燃烧不稳定性的相关机理以及发展相应的控制方法。     

火焰筒壁高温区与近壁区流场的数值模拟研究

航空发动机火焰筒的大孔包括主燃孔和掺混孔,将多斜孔壁冷却方式应用到真实环形燃烧室的火焰筒壁上,运用CFD软件,通过数值模拟的方式,计算研究整个燃烧室的温度分布,特别考虑了火焰筒壁温的分布,对近壁区的流场进行计算研究。研究分析表明:内外环壁热侧大部分区域温度都保持在1 000 K～1 100 K,在材料的长期许用温度范围内;同时针对外环壁主燃孔和掺混孔附近的局部高温点,提出冷却方案,改善了近壁区的流场分布,对改善高温点起到了很好的效果,最大幅度降低达13.2%,壁面温度更加均匀,对降低热应力水平,延长火焰筒使用寿命有利。     

全环涡轮级间燃烧室性能试验

以涡轮级间燃烧室(ITB)应用于涡轴发动机为研究平台,根据ITB的应用环境,采用凹腔驻涡燃烧室作为涡轮级间燃烧室,设计加工了全环凹腔驻涡燃烧室试验件,并进行了性能试验研究.试验结果表明:该燃烧室的贫油点火边界余气系数为10.2,降低驻涡凹腔体内外压差有利于点火;与常规燃烧室相比,燃烧室的燃烧效率偏低,但燃烧效率随进口温度的升高逐步加大;燃烧室的总压恢复系数较小,进口温度对燃烧室的总压恢复系数影响不大;燃烧室出口温度场分布较好,出口温度分布系数(OTDF)随进口温度的升高而减小;随着进口温度的提高,火焰筒壁温会局部偏高,火焰筒的冷却设计需优化改进.      

新型变几何火焰稳定器燃烧特性试验

在二元燃烧试验台上研究了一种新型变几何火焰稳定器的燃烧特性,重点描述了在不同试验工况下,稳定器燃烧效率、出口温度分布与稳定器几何形状变化的关系,并且通过稳定器的燃烧图像分析了几何变化对于燃烧状态及火焰结构的影响.结果表明:试验工况下,随着几何形状的改变,稳定器的燃烧效率呈现一定幅度的变化;尾缘槽宽与整流罩宽度比 w/h =1.25表现出其特殊性,在该点稳定器的燃烧状态和火焰结构发生较明显地改变;在稳定燃烧过程中,随着 w/h 的减小,出口截面中心温度不断升高,温度分布的均匀性降低.试验数据和结论有助于加深对该型变几何火焰稳定器的了解,并对该型稳定器的数值模拟和进一步试验研究有着重要的参考意义.      

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.      

粉末燃料冲压发动机自维持稳定燃烧试验研究

为了实现粉末燃料冲压发动机的持续稳定工作,采用设计的发动机进行了直连式试验研究.通过试验,验证了粉末燃料供应方式的可行性,获得了燃烧室压强及发动机推力曲线,计算了发动机的燃烧效率.结果表明,利用突扩回流稳定火焰的方法不适用随流性差的金属粉末燃料,钝体火焰稳定器可实现粉末燃料的自维持稳定燃烧,但稳定器周围沉积较多,降低了发动机效率.     

突扩燃烧室在准稳态假设下的熄火过程对比分析

在准稳态假设条件下,运用数值模拟方法对火焰的边区驻留与旁侧驻留的两种突扩类型的亚燃冲压发动机燃烧室的熄火过程进行了分析。通过改变燃烧室进气流量和燃油当量比,对比分析了燃烧室在向熄火的压力下限和贫、富油边界转变过程中的流场特征和火焰形态变化。研究显示,中心突扩燃烧室在压力和燃油浓度下降过程中,熄火过程中表现为火焰锋面的中心收缩;旁侧突扩燃烧室则表现为突扩截面内温度的差异,以致火焰稳定功能的丧失。     

甲烷/空气中对撞射流火焰的实验和数值研究

以甲烷/空气为研究对象,利用YA-16多闪光高速照相机对碰撞射流火焰进行了实验研究。基于带化学反应的二维轴对称Navier-Stokes方程,采用带有Superbee限制函数的波传播算法,对该现象进行了数值模拟。结果表明,对撞前,由于Helmhotz不稳定的作用,射流火焰演变成带有涡环的蘑菇云。碰撞后,在其诱导的流场和涡的作用下,形成的火焰杆的直径基本没有变化,火焰盘则沿着碰撞平面往四周发展,而其厚度逐渐变薄。计算结果和实验照片进行了比较,两者符合得较好。