高超声速飞行器脉冲风洞测力系统研究

吸气式高超声速飞行器具有各系统高度耦合的特点,现阶段的主要研究手段是在脉冲燃烧风洞中开展一体化飞行器带动力试验。针对脉冲燃烧风洞的特点,发展了一体化飞行器风洞试验快速测力方法。对试验模型和天平组成的测力系统进行了建模,获得了测力系统结构设计准则;采用数值仿真和锤击法获得了测力系统的模态,对试验过程中模型振动信号进行分析研究。结果表明:测力系统的振动频率满足测力要求,且其振动形式与锤击法测定模态一致。在脉冲燃烧风洞中开展的飞行器带动力试验结果表明:测力系统满足脉冲燃烧风洞测力要求,能够获得大尺度高超声速一体化飞行器气动力载荷,且满足精度要求,证明了在脉冲燃烧风洞中开展大尺度高超声速一体化飞行器技术研究的可行性。     

TBCC旋流燃烧涡扇模态下的流动特性研究

为减小整流段和钝体造成的损失,针对涡轮基组合循环发动机(TBCC)燃烧室,基于离心力燃烧加速火焰传播的机理,通过数值模拟方法研究了不同旋流进口位置、旋流角度及其组合方式下的流场特征,以及不同燃油喷射粒径在离心力场下的油雾场分布特性。研究发现:相比于单一位置的旋流进口及旋流角度,利用不同旋流位置及不同旋流角度的组合方式,总压损失虽然有所增大,但切向速度衰减较快;对于不同的燃油喷射粒径,70μm粒径的油珠相比于50μm的受到的离心力较大,所需掺混距离缩短,其油雾分布特性更符合燃烧室温度分布要求。     

初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置对初始压力为0.1MPa、当量比为0.7~1.5、甲烷体积分数为0、0.4和0.8,以及3种初始温度工况下,CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性进行实验研究。获得混合燃料火焰发展图片、层流燃烧速度和马克斯坦长度等,并分析初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧速度及燃烧稳定性的影响。结果表明,当火焰拉伸率趋于0时,非线性拟合方法NLM2(nonlinear fitting method 2)能够准确预测拉伸火焰传播速度随火焰拉伸率变化规律,外推可获得较为准确的无拉伸火焰传播速率。初始温度对稀混合燃料火焰传播速度的影响较大,而对化学当量比和浓混合燃料火焰传播速度的影响较小。3种甲烷体积分数混合燃料的层流燃烧速度均随初始温度增加而增加。当初始温度为420K时,马克斯坦长度随当量比减小最快,而当初始温度为480K时,马克斯坦长度减小最慢。在稀混合气和化学当量比工况,随着初始温度增加,混合燃料马克斯坦长度减小,混合燃料燃烧稳定性变差,而在浓混合气工况,各初始温度马克斯坦长度趋于一致,此时,初始温度增加对燃烧稳定性影响较小。      

基于OH-PLIF技术的环形燃烧室预混火焰结构实验

针对微型燃气轮机环形燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术,对环形燃烧室内甲烷/空气预混湍流多束火焰燃烧开展实验研究,得到OH自由基物质的量浓度分布,并研究雷诺数和当量比对火焰结构特征参数的影响。结果表明:OH自由基浓度分布呈现环形结构,并有火焰托举和分叉现象,OH-PLIF瞬时和平均图像揭示了火焰具有湍流和层流预混结构共同特征。火焰结构特征参数的定量分析表明,雷诺数升高,拉伸火焰预混锥形结构,促进射流之间相互作用;康达效应使内焰向内壁面弯曲,火焰张角增大;适当调节预混火焰的当量比,有利于火焰结构的稳定。      

小球藻油/RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性

在初始压力0.1 MPa、初始温度450 K和当量比范围0.8~1.2工况下,进行小球藻油及其与RP-3航空煤油混合燃料的层流燃烧特性研究。研究结果表明:随着当量比增加,小球藻油着火滞燃期缩短,拉伸火焰传播速度增加。与RP-3航空煤油相比,小球藻油无拉伸火焰传播速度峰值更偏向于浓混合气区域,且对当量比较为敏感,随着当量比增加,其无拉伸火焰传播速度变化显著。随着小球藻油含量增加,混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值右移,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料无拉伸火焰传播速度峰值出现在当量比Φ=1.4附近。研究发现,与小球藻油和RP-3航空煤油单组分燃料相比,50%小球藻油/50%RP-3航空煤油混合燃料马克斯坦长度值变大,混合燃料具有较好的燃烧稳定性。      

氢气对正己烷-空气燃爆性能的影响

为了研究氢气对正己烷燃爆性能的影响,在定容燃烧室内实验测量了初始温度为353K,初始压力为100kPa,当量比0.7～1.7,掺氢比0%～80%时,正己烷-氢气-空气混合气的爆炸过程,得到了氢气对火焰传播规律、层流燃烧速率及爆炸压力的影响。研究结果表明,当量比从0.7增加到1.7,无拉伸火焰传播速率和层流燃烧速率呈先增大后减小的趋势,在当量比1.0附近达到最大;随着掺氢比的提高,混合气的燃烧速率明显增大,有利于提高燃料的燃烧效率,当量比为1.0时,掺氢比80%的混合气层流燃烧速率比正己烷-空气混合气提高了2.5倍;同时,掺氢比对混合气的爆炸压力与最大爆炸压力上升速率有明显的影响,对过稀或过浓燃料的影响尤为显著。     

固体火箭冲压发动机技术研究进展

近年来,固体火箭冲压发动机获得飞快发展,本文综述了其技术研究进展,为后续固体火箭冲压发动机技术及相似技术的发展提供借鉴。主要介绍了固体火箭冲压发动机的燃气流量调节技术、贫氧推进剂技术、高效燃烧组织技术、转级技术等关键技术。总结发现国内外关键技术已取得了较全面突破,逐渐进入工程实用阶段,但燃烧基础问题研究不足。因此,有必要进一步深入开展推进剂细观燃烧、多相湍流燃烧、金属颗粒燃烧等基础科学研究,进而促进固体火箭冲压发动机技术发展。     

全流量补燃循环气气燃烧相似性缩尺试验研究

为指导全流量补燃循环发动机推力室全尺寸气气喷注器设计,采用气氢/气氧推进剂,在带可视化窗口的燃烧室中开展了气气燃烧流场相似性缩尺试验研究。采用高速摄影仪获得了不同流量工况下,同轴剪切喷嘴稳定燃烧和不稳定燃烧两种状态下近喷嘴区域的燃烧火焰结构,并分析了不稳定燃烧的频率特性。结果表明:在保持推进剂种类、推进剂混合比、推进剂温度、燃烧室及喷嘴结构尺寸不变的情况下,随着喷嘴流量的逐步增大,稳定燃烧和不稳定燃烧的喷嘴出口火焰结构均有一定的相似性,且不稳定燃烧的频率相同。     

湍流燃烧算例在多种CPU平台的模拟性能对比

新型燃烧室研发需要高精度数值模拟及大规模并行计算。几何高保真加上高精度的湍流模型、湍流燃烧模型和化学反应机理等,必需从各方面提升大规模并行计算效率。目前超算平台的浮点运算能力评测并不能完全代表湍流燃烧模拟的实际消耗,因此列举了各计算平台的Linpack测试分数进行参考,采用典型湍流火焰数值模拟对常用的CPU超算平台进行测试,检验并行计算效率,分析结果。湍流燃烧模拟采用自研AECSC软件,结构化网格,对比了Intel、AMD和国产CPU平台。结果表明,超算平台浮点数运算能力和湍流火焰模拟效率不一致,对同一算例的计算时间存在差异;国产超算平台表现优于参考的浮点算力;不同的求解过程有不同的加速比。     

基于解耦算法的化学非平衡流并行数值模拟

化学非平衡流的数值模拟需要求解化学反应源项,而详细化学反应机理中各个基元反应的时间尺度相差显著,因而导致空间离散后形成刚性常微分方程组,其求解计算量巨大。为此,在非结构有限体积法化学非平衡流解耦算法的基础上,进一步采用基于MPI的并行计算实现大规模化学非平衡流数值模拟的加速,从而为进一步求解复杂的工程应用建立条件。由于基于解耦算法的求解器中计算量最大的化学反应源项求解是基于各个单元格心变量实现,每个时间步求解时不需要进行交互,因此便于实现分区并行计算。经典的激波诱导振荡燃烧算例的数值模拟表明,开发的并行求解器具有较高的计算精度和良好的计算效率,并且由于其较低的内存需求,具备进一步开发图形处理器(GPU)计算能力的基础。