热力学非平衡对超燃冲压发动机冷态流动影响研究

随着流动马赫数和温度的变化,热力学非平衡对流动的影响也在变化。为研究热力学非平衡对不同飞行马赫数条件下的超燃冲压发动机冷态流动的影响,对三个经典的超燃冲压发动机模型,包括JAXA Ma12-02超燃冲压发动机,DLR超燃冲压发动机,以及Hyshot II超燃冲压发动机进行数值模拟。针对每个超燃冲压发动机,分别采用三种热力学模型进行模拟,包括量热完全气体模型（对应冻结流动）,单温度模型（对应热力学平衡流动）以及双温度模型（对应热力学非平衡流动）。计算结果表明,热力学模型对超燃冲压发动机内流波系结构的位置有一定影响：从整体上来说,双温度模型计算所得波系位置比量热完全气体模型计算结果靠后,比单温度模型计算结果靠前;不同热力学模型计算所得波系位置在发动机前段相对较为接近,而随着向下游发展,波系位置的差别逐渐增大,这是上游每一道波系位置的差别逐渐累积的结果;在发动机前段,双温度模型计算所得波系位置更接近于量热完全气体模型计算结果。通过分析不同热力学模型计算所得激波角可以对此进行解释。而就本文涉及的三个小尺寸超燃冲压发动机而言,热力学模型对气动力和力矩的影响相对较小。不同热力学模型计算所得气动力和力矩的差别主要来源于计算所得激波串位置的差别。     

试验研究双旋流器头部燃烧室几何参数对燃烧性能影响

试验研究不同油气比下双级旋流器的几何参数以及主燃孔布局变化,对单头部试验燃烧室出口温度分布、燃烧效率、贫油熄火极限以及污染物排放等燃烧性能的影响规律.试验结果表明:双级旋流器的几何参数(如:叶片安装角、旋流器流通面积和喉道距文氏管出口距离等)与主燃孔布局变化对燃烧室性能都有较大的影响,但随着油气比的下降,影响程度相应地减弱.      

轴流压气机过失速行为的数值模拟

基于轴流压气机级特性,建立了带燃烧室的多级轴流压气机过失速的一维逐级分析模型,发展了分析轴流压气机过失速响应的动态滞后方法,确定了压气机过失速响应的纺一时间常数。并将该模拟技术应用到某压气机中,通过调节敛喷嘴面积和燃烧室燃油流量等措施来诱导压气机失速。压气机旋转失速后,压气机流量下降,增压能力降低,燃烧室温度升高,可以通过调节燃油流量等措施来使压缩系统恢复正常工作。     

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室,开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统,隔离段进口马赫数保持2.0不变,总压为1.05 MPa,来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力,并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时,燃烧室壁面峰值压力位置相同,同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系;来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升;在燃烧室当量油气比不变的条件下,来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降,隔离段内激波串长度缩短。      

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。     

基于神经网络的变截面再生冷却结构优化设计

针对目前再生冷却结构优化研究存在参数对比范围窄、依赖于经验关系式等问题,根据航空发动机燃烧室特点提出了一种变截面宽度再生冷却通道,并采用神经网络模型结合数值模拟结果,以通道出口燃油温度相对标准差、燃气侧最高壁温及壁温相对标准差为目标,预测了全参数范围内不同槽宽和、槽宽比及肋高下目标函数的变化规律,预测结果表明：当槽宽和较小时,增大肋高可以强化换热,但当槽宽和较大时,需减小肋高才能强化换热,这也揭示了为何有些文献中关于肋高对换热性能影响的结论会相反;此外,存在一个最佳槽宽比范围可使得三个目标函数均最低;增大槽宽和可以明显降低燃气侧壁温及其不均匀度,减小肋高可以缩小不同管道出口燃油温度的差异。从预测空间内可选取多组综合流动换热性能较优的结构,优化后三组目标函数的加权值降低了9.09%。     

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。     

过渡态工况下环形燃烧室热态三维数值模拟

利用商用软件对环形燃烧室从慢车到最大状态的过渡态过程进行了数值模拟,并通过与传统的工程计算方法(利用稳态计算来近似过渡态计算)得到的结果进行分析比较,研究了过渡态过程对燃烧室温度场的影响,结果表明:①过渡态计算与对应工况点的单点稳态计算存在一定的差别,主要表现在稳态计算的出口温度比过渡态计算的整体偏高;②时间步长是影响过渡态计算的关键因素,较小的时间步长能够使不同时刻流场参数之间的相互联系更加紧密,计算结果也就更接近于过渡态的真实过程;③过渡态计算中出口平均温度相对于油气比的变化在时间上具有一定的滞后性.      

数值研究环形回流燃烧室紊流燃烧流场

在任意曲线坐标系下,采用四步反应机理数值研究回流环形燃烧室内燃烧过程中间及最终产物的生成.采用重整化群k-ε模型、涡团耗散模型及离散坐标法分别模拟紊流黏性、燃烧反应速率及辐射传热;采用随机颗粒轨道模型描述油珠温度、运动及其尺寸变化等过程;采用PISO(pressure implicits plit-oper-ator)算法对离散方程进行求解;在非交错网格体系下,预估该燃烧室三维两相燃烧流场以及燃烧产物分布.计算与实验结果较为相符,表明本文的数值方法及模型可靠,可为环形回流燃烧室的优化设计及污染物减排提供技术支持.      

采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C₂H₆)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C₂H₆质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.