火箭冲压组合发动机燃烧的若干基础问题研究

火箭冲压组合发动机包含多个工作模态,不同模态灵活组合的优势使其具有宽速域和广空域的工作特点,兼具加速和巡航的优点.火箭冲压组合发动机燃烧室中存在着亚声速、跨声速和超声速共存的流动结构,具有流动速度高、混合时间短、反应强度大、燃烧空间受限和波系结构复杂等特点.围绕火箭射流的强剪切性、燃烧模式的多样性和燃烧过程的动态性,分析了火箭冲压组合发动机的流动与燃烧特征,总结了面向发动机的高速湍流燃烧研究进展,研究了火箭冲压组合发动机中超声速反应混合层的生长特性、燃烧模式与空间释热分布和动态燃烧特性等问题.通过对碳氢燃料详细化学动力学机理的简化、校验,获得了分别适合于工程计算和细致燃烧机理研究的总包反应与框架机理.从火箭射流主导的反应混合层生长模型,宽范围、变来流工作中流动燃烧过程的不确定性和碳氢燃料动力学的简化与加速算法研究出发,提出了火箭冲压组合发动机基础研究中需要突破的问题,为认识发动机中多尺度燃烧机理、优化多模态燃烧组织提供参考.     

二元低音爆超声速进气道的流动特性研究

为了揭示低音爆进气道的特殊流动机理,设计了一种新型二元低音爆超声速进气道,其具有零度角唇罩和发散等熵压缩前体这两个典型特征,并通过仿真手段获得了其在典型状态下的流场结构和工作特性。结果表明:由于唇罩内侧倾角过大,在低来流马赫数下(Ma∞=1.8,2.0),低音爆进气道在口部产生了唇罩弯曲激波及相应的局部亚声速区,这一流动结构的存在使其在临界状态下的总压恢复系数与外压式进气道相比分别降低了2.3%和5.5%;而在高来流马赫数下(Ma∞=2.5),唇罩激波在肩部下游诱导出一个大的分离包,该分离包使得低音爆进气道的性能随下游堵塞度的变化变得敏感。由于本文设计的低音爆进气道外唇罩角为0°,其音爆水平与外压式进气道相比显著降低,其中其音爆在设计马赫数的通流状态下减小了98.6%。此外,进气道的音爆还与其工作状态相关,进气道的溢流程度越大、超声速来流的马赫数越低,音爆水平则越高。     

超声速边界层抽吸孔隙内流场结构分类

由于流体处于超声速和亚声速状态时,其性能有着显著的差异,这种现象同样存在于超声速边界层抽吸孔隙内。为了对超声速边界层抽吸孔隙内流场结构进行分类,主要通过数值计算的方法,对超声速边界层抽吸孔隙内流体的流动状态以及不同流动状态时抽吸孔隙内流场结构对抽吸腔反压的响应特点进行了研究,同时也对数值计算方法做了试验验证。数值计算采用基于有限体积法的二阶迎风格式来离散二维可压N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,通过改变抽吸槽宽度D的方法来实现抽吸槽内流体处于不同的流动状态。根据抽吸槽内流体的流动状态的不同,将超声速边界层抽吸分为亚声速型,临界声速型和超声速型。分别对不同抽吸腔反压时三种抽吸类型流场结构变化特点以及声速流量系数Q变化特点进行了分析,发现不同抽吸类型对抽吸腔反压的响应规律存在显著差异。当δ/D8.6时,即对于亚声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而线性增加,且Q随p_c/p_0减小而减小。当δ/D8.6时,即对于超声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而迅速增加。另外,随p_c/p_0增加,Q先保持不变,当p_c/p_0增加到0.225时,Q开始减小,并且当p_c/p_0增加至0.675后,Q减小速率发生了突变。分析原因在于超声速型抽吸,抽吸腔反压向抽吸槽内的传递受到抽吸槽内分离区以及激波的阻碍,而对于亚声速型抽吸,抽吸腔反压能够直接传递至抽吸槽内,进而影响边界层抽吸。     

二维受扰超声速喷管流的动态分析

介绍了STAR -CD软件包所采用的控制方程、湍流模型和数值模拟技术。模拟了有出口旋转挡板的拉瓦尔喷管的超声速流场 ,分析了出口旋转挡板转动对超声速喷管流场速度、压力和Ma等参数的动态影响     

燃料引射方式对超燃冲压燃烧室混合及燃烧效率的影响

应用含组分守恒方程的质量平均Navier Stokes方程和B L代数湍流模型,数值模拟了后台阶构型燃烧室在采用台阶上游支板引射和壁面垂直引射燃料时的内部流场。在计算过程中,对方程的对流项采用空间为二阶精度的TVD格式,扩散项则采用二阶中心差分离散。通过流场计算,对比研究了引射方式对燃料混合性能的影响。结果表明,台阶上游的支板在燃烧室的流场中产生了一对相对稳定的大尺度轴向旋涡,该旋涡不利于燃料的混合。采用壁面垂直引射时,在喷嘴下游的燃料流场中产生了小尺度轴向旋涡,该旋涡是提高燃料混合及燃烧效率的关键。     

定几何混压式轴对称超声速进气道设计及性能计算

给出了定几何混压式轴对称超声速进气道型面设计及性能计算方法,进行了算例计算。对亚临界状态下脱体激波的计算进行了研究,给出了进气道临界状态性能参数随飞行马赫数和高度的改变而变化的曲线。分析了进-发匹配过程,以及进气道的自调节能力。计算得到了基于进气道性能最优,即进气道工作在临界状态条件下,碳氢燃料冲压发动机的供油规律,为进气道大范围寻优设计打下了基础。      

涡扇发动机超声速进气道实时数学模型

利用流场计算结果建立了反映飞行马赫数、攻角、斜板角度和风扇进口静压影响的超声速进气道多维实时数学模型。综合该进气道模型、某型涡扇发动机实时数学模型和实时喷管模型，建立了实时的推进系统数学模型。利用此模型研究了飞行马赫数、攻角、斜板角度和出口反压对涡扇发动机工作参数的影响。结果表明，该模型准确度高，实时性好，可完成推进系统的动静态过程仿真计算；并可用于进气道与发动机的匹配以及超声速进气道控制研究。     

煤油在超声速气流中非定常横向喷射的实验观察

本文目的是研究煤油在超声速气流中非定常横向喷射问题,并与静止和亚声速气流中的结果进行对比。改造普通油嘴并采用单次高压燃油喷射系统,得到不同延时的流场阴影照片。结果表明：在超声速气流中,射流柱破碎是由迎风面的表面波引起的,破碎点位于表面波的波谷。雾化过程过分四个区域。射流激波由近射流柱的迎风面,并在人壁反射,非定常喷射的波系演化复杂。煤油在亚声速气流中喷射,不存在射流激波,破碎点沿射流柱上移,穿透深     

尖拱弹身横向喷流数值模拟

本文通过数值求解层流Navier—Stakes方程来模拟超声速流场中横向超声速喷流的干扰流场，采用分块对接网格和“O”型网格技术，精确模拟喷口截面形状并生成高质量的贴体计算网格，对尖拱弹身的横向超声速喷流的干扰流场进行了数值模拟，研究了喷口附近的流场结构、涡系结构、波系结构及流动分离等流场特性，得到喷流流场的干扰效应，计算结果与实验值吻合较好。