Investigation into the transient flow characteristics of noble gas propellants using the pulsed inductive discharge in electric propulsion

The Pulsed Inductive Thruster (PIT) has the advantages of repeatable startup, no corruption and in-situ propellant feed. To study the flow expansion and circuit characteristics of PITs, the circuit-fluid model is developed, and the high temperature thermodynamic and transport models are combined with the circuit-fluid model to predict the critical plasma parameters. The flow fields of initial mass of 2–8 mg and charge voltages of 10–14 kV are simulated. Comparison of the flow fields of argon and helium propellants suggests that, the flow field structures are similar. Slight differences exist on the magnitude of the density and magnetic field, caused by larger velocity in lighter atom case and difference on the ionization gap between adjacent ionization levels. Analysis of the circuit characteristics by the two-dimensional results indicates that the ratio of coil inductance to circuit inductance affects both the rise rate and phase of the plasma current, the larger the ratio, the greater the rise rate and the better the following characteristic. The calculations show that the magnetic energy obtained within the decoupling distance determines the overall performance the thruster can be obtained; self-induced field maintained by the thermal motion after the main pulse leads to the long attenuation process and difference on the total impulse when the angle of conical pylon is varied under constant coil dimension.     

Coating deposition regularity depended on orientation difference in PS-PVD plasma jet

The YSZ coatings are prepared by the plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) technology based on a specific experimental design. The structure, thickness and growth angle of YSZ coatings on the entire circumferential surface of the cylindrical sample are studied. The results indicated that the structure, thickness and deflection growth angle of YSZ coatings are related to the orientation of deposition location. The numerical simulation of the multiphase mixed fluid near the substrate is carried out and the deposition regularity and mechanism of YSZ coatings prepared by PS-PVD is deduced. The growth rate is related to the local characteristics of the plasma flow field, and is directly proportional to the field pressure and inversely proportional to the field velocity. The growth angle of the coating is generally affected by the flow direction of the plasma jet. Especially, the normal component of velocity vector, V_norm, mainly affects the speed at which the coating grows vertically upwards. The tangential component of velocity vector, V_tan, determines the degree that the coating growth direction deviates from the vertical direction. When V_tan ≠ 0, the coating forms a fine column with a certain deflection angle and finally develops into an oblique columnar structure.     

驻涡燃烧室凹腔流场结构实验

驻涡燃烧室采用凹腔结构稳定火焰,研究凹腔内不同燃料与空气喷射情况下的流场结构非常重要。采用粒子成像测速仪(PIV)测量了驻涡燃烧室凹腔在不同主流速度下的流场,并对比分析了凹腔进气结构分别为不开冷却缝及油气渗混孔、开冷却缝不开油气渗混孔、开冷却缝和后体油气渗混孔、开冷却缝和前体油气渗混孔时的流场结构。研究结果表明,不同主流速度下所设计的不同凹腔进气结构均能在腔内形成稳定的涡,冷却缝对流场的影响较小,凹腔油气掺混孔在开孔截面上对流场及涡核中心位置的影响较大。     

通道高度对受限长通道流动特性的影响

为更好地掌握涡轮叶片错排射流冲击受限长通道内的流动结构,了解横流对射流作用的影响,获取沿流动方向通道内的流动特性,对包含12个射流孔和1个出流孔的受限通道流场进行了详细的测量,着重研究受限通道和出流孔内的流动特性,同时获得沿通道密流比、侧壁静压以及孔流量系数的变化规律。实验结果表明:通道高度主导着通道和出流孔内的流动特性,但其影响随着通道高度的进一步增加而减弱;通道高度的增加削弱了横流强度,但也增加了射流流程,使其在下游位置无法对靶面形成有效冲击;随通道高度的增加,沿通道流量分配趋于均匀,密流比呈线性分布,沿程压降趋缓,出流孔流量系数提高。     

三级旋流燃烧室流动和点火过程中火焰传播特性

为了研究三级旋流燃烧室的流动以及预燃级煤油非预混燃烧特性,设计了三级旋流燃烧室结构方案与光学非接触测量方案,研究了总压损失与当量比对三级旋流燃烧室流动特性及火焰结构的作用和油气参数对点火过程中火焰特征结构与特征时间的影响规律。研究结果表明：在高速气流碰壁区存在内、外剪切层,剪切层的无量纲高度随总压损失变化较小,剪切强度随总压损失增大而增大;火焰结构随着当量比变化存在“V”型火焰、过渡火焰以及包络火焰三种形态,过渡当量比约在0.6左右;热态回流区扩张段扩张角度随总压损失的增大而增大,随着当量比先减小后增大;点火过程中存在大尺度火焰的熄灭与复燃,复燃火焰从回流涡附近以三维螺旋方式回传;点火过程中,随总压损失的增大,火核生成时间增大,火焰传播时间减小,熄火复燃时间减小;随当量比增大,火核生成时间增加,火焰传播时间先增大后减小,熄火复燃时间减小。     

压气机中介机匣全流量工况特性的数值研究

为全面评价中介机匣性能,从上下游匹配角度,定义了中介机匣节流特性,提出从流动损失、出口畸变和流量阻塞三个方面在全流量工况范围内评估中介机匣的性能,并给出了相应性能参数表达式;在均匀和实际不均匀总压入口条件下,对某小型涡扇发动机压气机中介机匣流场进行数值计算,获取其全流量工况性能参数,并分析其流动机理。计算结果表明：中介机匣的出口总压损失和总压畸变程度随流量增加而增加;在实际不均匀进气条件下,流动损失和畸变程度均大于均匀进气条件;当中介机匣的设计流量和最大流量接近时,会造成压气机和中介机匣共同工作的阻塞流量明显减少。因此,对中介机匣进行性能评价时应考虑到实际的入口条件和非设计点的影响,在设计和选配中介机匣时应保证足够的流量裕度。     

自维持合成双射流对超声速燃烧室凹腔质量交换特性影响研究

为了改善燃烧室凹腔与主流的掺混性能,提出了一种利用凹腔内压力差形成自维持合成射流的流场控制方法,在超声速冷流条件下,采用动网格技术对激励器的膜片振动过程进行模拟,详细分析了自维持合成双射流与凹腔相互作用的过程,研究了激励器出口位置、参数、凹腔构型以及来流Ma数等参数的影响。结果表明:加入自维持合成双射流激励器可以大幅提升凹腔的质量交换特性,减小气体在凹腔内的驻留时间;且激励器出口位置分布对控制效果影响较大,当激励器出口位于凹腔底部中间位置时,质量交换率最大能够提升49%。此外,凹腔构型以及来流条件都会影响自维持合成双射流对凹腔掺混的控制效果,在相同来流条件下,凹腔长深比越大,控制效果越显著,自维持合成双射流能使长深比L/D=7.76的凹腔质量交换率提升115%;对于同一凹腔,随着来流马赫数增加,激励器对凹腔质量交换特性控制效果提升更为明显,但改变振动膜片的振幅和频率对控制效果的改善不明显。     

不同进气状态对矩形大S弯扩压器流动特性的影响

通过亚音扩压器内壁面流谱图、有关截面的总压恢复分布图、速度矢量图以及各壁面沿程静压恢复系数分布分析对比了四种进气状态下矩形大Ｓ弯扩压器流动特性。试验表明不同进气状态对矩形大Ｓ弯扩压器性能有很大影响，其中均匀核心流进气条件下的流动代表了大Ｓ弯扩压器流动的一般特征，其出口平均总压恢复系数最高，周向总压畸变指数不大，旋流很弱。研究腹部或两侧进气道地面起飞进气状态下矩形大Ｓ弯扩压器的流动特性更具有实际意义。试验表明其出口平均总压恢复系数较低，周向总压畸变指数较大，旋流较强且很不规则。     

改进堵孔法在主燃烧室上的试验研究

为了简化主燃烧室流量分配的试验方法,对传统堵孔法进行了改进,提出了一种采用参考压力损失与进口空气流量来建立流量特性曲线,之后通过求解线性方程组获得燃烧室流量分配比例的方法。通过在一扇形燃烧室上进行流量分配试验,验证了改进方法的可行性。研究结果表明:采用改进的堵孔法压力测点数最少为2个,能够有效减少试验测点和试验测量仪器的数量,不同测点位置测量获得的孔流量分配比例基本一致,在1%～4%参考压力损失范围内,不同参考压力损失对流量分配比例基本无影响,改进堵孔法测得的流量分配比例在试验参考压力损失范围内误差不超过4%。     

扇形和圆形气膜冷却孔的流动和传热实验比较

首次对流向倾角α为60°、锥顶角γ分别为15°和30°的扇形气膜冷却喷孔射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究,并与相同实验条件下圆孔射流的情形进行了比较,结果发现了扇形孔优越的气膜冷却性能和其下游速度边界层等值线的3种基本形态。