旋转对固体火箭发动机燃烧室燃气流动的影响

采用RNG k-ε湍流模型,计算了某管状装药旋转固体火箭发动机在不同旋转速度情况下的燃烧室喷管统一流场,着重分析了不同转速情况下燃烧室内燃气流动的特点,得到了该发动机燃烧室内旋流切向速度沿径向分布趋势以及旋流涡核半径在不同转速情况下的变化特点,对燃烧室前封头局部区域的流场结构也进行了较为细致的分析.     

进气道旋流发生器的设计与数值模拟

为深入研究旋流以全面评价进气道/发动机相容性,设计了一套可调叶片转折角、叶片高度、叶片数的叶片式旋流发生器.利用CFD数值模拟技术,对旋流发生器进行了各种组合的流场计算,分析了可调参数对旋流发生结果的影响.结果表明,所设计的旋流发生器能够产生整体涡强度达8°～22°的旋流,叶片数对旋流整体涡强度的影响最为显著.     

整体涡对跨声速单转子性能和稳定性影响

为研究整体涡影响轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究.计算结果表明:反向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角和总压比增加,效率和稳定工作范围降低;同向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角、总压比和稳定工作范围减小,效率增加;反向整体涡导致50%叶高以上吸力面附面层分离以及叶尖泄漏流堵塞加剧是压气机失稳的主要原因.      

一级旋流强度对双旋流杯下游油气分布的影响

为了改善双旋流杯点火性能,需要优化其下游的流场和油雾场。利用激光粒子动态分析技术(PDA)测量基准双旋流杯下游的流场和油雾场,据此提出一级旋流器旋流数仅增大6.7%,但切向动量矩减小44%的改进方案,并进行了流场和油雾场对比试验。试验结果表明:减小双旋流杯一级旋流切向动量矩会使旋流杯下游流场结构发生较大变化,使其从收扩型转变为扩张型,同时减小油雾的索太尔平均直径(SMD);当与旋流杯出口距离超过2.5倍文氏管喉道直径时,流场输运和油滴蒸发作用增强,使得油雾分布更加均匀,燃油SMD更小。在航空发动机燃烧室双旋流杯设计中,不仅要考虑传统的旋流数概念,还应考虑各级切向动量矩的综合影响作用。     

气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响

为了研究气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响,采用水和空气作为模拟介质,开展了室压条件下冷态喷雾试验。通过试验分析了气核尺寸较大时气液同轴离心式喷嘴自激振荡的喷雾形态,与文献中气核尺寸较小时的喷雾形态进行对比发现气核尺寸不同时,该类喷嘴自激振荡的喷雾形态不同,气核尺寸较大时呈"圣诞树"型分布,气核尺寸较小时呈"串"型分布。气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的产生机理有显著影响,由于自激振荡产生机理的不同,喷嘴缩进长度对自激振荡的影响也不同,气核尺寸较大时自激振荡频率随着喷嘴缩进长度呈复杂变化特征,气核尺寸较小时喷嘴缩进长度对自激振荡频率没有影响。气液同轴离心式喷嘴自激振荡频率为2~4kHz,与燃烧室一阶振型接近,喷雾自激振荡可能会诱发燃烧室不稳定燃烧。     

基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真,探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式,采用基于大涡模拟的仿真方法,对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究,仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节,并通过耦合流体体积法（VOF）与离散相模型（DPM）,获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明：在液体填充过程中,喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱,形状并不稳定,内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化,喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均,这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下,不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时,液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性产生的轴向正弦波所导致,产生沿周向分布的环形液带;在0.7MPa下,液膜表面开始出现由瑞利-泰勒（R-T）不稳定性引发的周向扰动波;随着压力增加至1.1MPa,液膜的破碎则由R-T不稳定性主导,产生沿轴向分布的液带结构,随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后,喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布,液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%,与实验数据吻合度较高。     

低压天然气喷射的船用二冲程低速双燃料发动机爆震研究

为了解决大缸径船用预混天然气双燃料发动机的爆震问题,并拓展天然气的稀燃边界。基于三维数值模拟的方法对大缸径船机进行了仿真模拟。分析了大缸径双燃料发动机爆震的特点,并对缸内涡流强度和废气再循环（EGR,Exhaust Gas Re-circulation）率对爆震的影响进行了研究。研究结果表明：大缸径预混天然气发动机的爆震位置往往发生在气缸边缘,火焰面的传播过程是引起缸内爆震的主要因素。随着缸内涡流从无到有的增强,缸内的爆震强度随之增强;当涡流到达一定程度后,随着涡流的增强,缸内的爆震强度反而降低;缸内加入EGR可以提高天然气当量比的同时减少爆震的强度,可以拓展天然气的稀燃边界。     

同轴离心式喷嘴噪声引发燃烧不稳定分析和预测

以氧化剂和燃料的混合比作为系统控制参数,研究同轴离心式喷嘴燃烧动力学过程。混合比增加和减少过程中,燃烧噪声和振荡燃烧状态间转变的混合比不同,说明系统出现了亚临界Hopf分叉现象,且在双稳定区内出现了燃烧噪声引发的振荡燃烧。利用临界慢化理论,分析3种表征参数:延迟为1自相关系数、方差和条件异方差（CH）对噪声引发不稳定的预警效果。结果表明:延迟为1自相关系数在噪声引发不稳定前出现明显的上升趋势且非随机现象,具有较可靠的指示作用。方差对噪声引发不稳定性的预示性较差。条件异方差在不稳定发生前振荡上升,可以作为辅助判断条件。基于Kendall秩相关系数趋势评估方法,提出一种在线预测噪声引发不稳定的判断准则,具有较好的适应性和可靠性。      

文氏管出口张角对旋流杯性能的影响研究

为了研究文氏管出口张角对旋流杯综合性能的影响,对不同文氏管出口张角的双级旋流杯开展了流量特性、下游流场和雾化性能试验,并借助仿真对试验结果进行了分析。结果表明:文氏管出口张角对旋流杯流量以及流量系数无显著影响。回流区外侧扩张锥面轴向速度随出口张角的增大先增后减。出口张角的存在可增大文氏管出口湍动能,强化两级旋流气体之间相互剪切作用进而改善雾化性能,存在一个最佳的角度(本文研究参数范围内,该值为56°)使得液雾平均粒径最小且液滴尺寸分布最均匀。拟合了关于文氏管结构的可用于预估双级旋流杯SMD值的模型公式,预估值与试验值吻合较好,相对误差小于20%。     

基于CH自由基发光的旋流火焰放热率时空特性研究

对不同工况下CH4/air旋流火焰的放热率在时间上的热声振荡现象和空间的三维形态转变两方面进行了研究。在燃烧形态转变方面,由于旋流火焰的复杂流场分布特性,采用基于化学自发光的三维计算层析技术(3D-CTC),测量了雷诺数从5 000到20 000的三个工况下旋流燃烧的CH*发光三维火焰结构。以此表征放热率的三维分布,实现对旋流火焰放热空间形态的测量。该诊断方法通过对旋流火焰发光在8个视角下的二维成像,结合层析重建算法得到其三维CH*分布信息。为验证重建保真度,将重建后结果二维可视化与高速摄影下的二维时均结果进行对比,结果表明重建误差在5%以内。研究中,分析了不同雷诺数下放热率的空间变化规律,结果显示所有实验工况下放热率的垂直于喷嘴方向的变化程度比沿喷嘴轴向的要剧烈;而随着雷诺数增加,最大的放热区表现出了明显的向后推进趋势。在旋流燃烧的热声振荡方面,利用CH*的二维高速摄影,对旋流燃烧的放热率不稳定性进行研究,发现放热率的振荡频率随着雷诺数的增大逐渐增加。