甲烷-液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法和火焰面-反应进度变量湍流燃烧模型,在准确考虑热物性变化和详细化学反应机理的基础上,建立了适用于超临界压力非预混湍流燃烧的数值模型,开展了甲烷-液氧(LOx)超临界压力同轴喷射非预混湍流燃烧过程的数值模拟研究,着重探讨了推进剂混合比分别为1和3情况下超临界工作压力(6~15 MPa)对甲烷-液氧非预混湍流燃烧过程的影响。结果表明:不同混合比情况下压力对火焰温度和结构的影响会有显著的不同。在推进剂混合比为1时,随着压力的升高,火焰变得更长,且火焰温度升高;而在推进剂混合比为3时,随着压力的升高,火焰长度则会变短。在超临界压力下,火焰沿径向有突然的扩张现象(特别是在6 MPa压力下)。这主要与液氧物性在拟临界温度附近的突变所造成的拟沸腾现象有关,也会受到液氧喷射动量变化的影响。     

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性,基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算,湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较,热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理,讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因;提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施;提出了换热恶化预测关联式,为主动再生冷却技术提供参考。      

超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究

以发动机主动再生冷却系统为研究对象,建立了碳氢燃料热物性高精度计算方法,在此基础上对超临界压力下低温甲烷在水平波纹管内的流动换热现象展开数值研究,初步分析了波纹管强化换热机理。进一步系统研究了波纹管节高比、管壁材料导热系数、壁面热流密度、入口压力以及雷诺数对强化换热和阻力特性的影响,并采用综合换热性能评价准则对各种因素的影响进行评价。研究表明:在超临界压力下合理选择波纹管可以显著提升换热能力,消除传热恶化现象,并且不会带来明显的压降损失;存在一个最优波高和最佳雷诺数,使波纹管具有最优的综合换热性能;增大管壁材料导热系数和甲烷入口压力可提高换热能力。     

超临界压力航空煤油RP-3在竖直微细管内的对流换热实验

以实验方式对超临界压力RP-3在内径为1.09mm微细管内的对流换热进行了研究,剖析了系统压力、加热热流密度、流动方向及浮升力这些因素对对流换热的影响。实验中热流密度控制为180~460kW/m2,系统进口压力变化范围为3~5MPa,进口雷诺数在3200~10200范围内变化。结果表明:对于向下流动,在实验段入口处浮升力对换热产生了恶化作用,热流密度越大,恶化作用越强;系统压力主要是通过影响流体热物性对对流换热产生影响;不同流动方向对对流换热的影响十分显著,整体上向下流动换热得到强化,向上流动换热得到恶化。      

超临界层流机翼边界层及气动特性分析

高空长航时无人机设计巡航状态的雷诺数较小,黏性边界层对气动特性的影响较大。详细分析了雷诺数对机翼边界层和气动力的影响,用数值方法对超临界层流机翼三维层流-转捩-湍流混合边界层特性进行了研究,分析比较了高空小雷诺数和中空大雷诺数情况下机翼三维边界层的特性,尤其是边界层转捩点位置、表面摩阻和气动特性的雷诺数效应。研究表明雷诺数对于高空无人机机翼边界层厚度、摩擦阻力和升阻比影响较大;对层流机翼的转捩点位置和升力系数影响较小;自然层流机翼技术可以应用于高空无人机设计。     

稳定射流环量控制的仿真研究

为改善飞行器的升阻特性,提高其机动性能,利用数值仿真技术对稳定射流在超临界翼型的作用效果进行研究。通过动量系数变化对环量控制作用效果影响规律的研究分析后发现:稳定射流环量控制与无射流情况对比,有较强的优越性,在小迎角或负迎角就可以产生较大的升力。通过对后缘半径和射流口高度的变化对环量控制作用效果影响规律的研究分析,得到圆形后缘超临界环量控制翼型的初步设计方法。计算结果可为进一步研究环量控制对飞行器的影响奠定理论基础。     

碳氢燃料裂解吸热反应及超临界传热现象数值模型的构建与验证

 基于正癸烷在超临界压力下的热裂解反应机理,建立了考虑正癸烷裂解吸热反应及超临界传热现象的数值计算模型。采用该模型对正癸烷在3.45~11.38 MPa压力条件下的湍流传热过程进行了数值模拟计算研究,得到了详细的温度、速度、裂解转化率、物性及壁面热流密度的变化和分布情况。通过与已有的实验和数值计算结果的对比,对数值模型和计算软件进行了充分的验证。结果表明,本文的数值模型是准确、可靠的。这就为研究碳氢燃料的裂解吸热反应及超临界传热现象提供了一个有效的模拟计算工具。     

控制超临界翼型边界层分离的微型涡流发生器数值模拟

本文基于任意曲线坐标系下的雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用对接拼接网格技术和多重网格加速收敛技术,对安装有叶片式微型涡流发生器的超临界机翼翼身组合体进行了数值模拟,研究了微型涡流发生器的高度和弦向安装位置对超临界机翼附面层流动控制的机理以及对超临界机翼气动性能的影响规律。     

超临界翼型尾缘噪声影响因素研究

使用大涡模拟(LES)和FW-H相结合的方法对超临界翼型尾缘噪声进行了研究。针对超临界翼型后缘的不同设计参数(后缘厚度、后缘角和几何形状)对尾缘噪声的影响,使用ANSYS FLUENT的LES湍流模型计算声源,采用FW-H积分方法求解远场噪声总声压级。首先完成二维非定常流圆柱绕流的流场及其噪声的验证计算,计算结果与实验值符合,证明了求解器设置和网格生成的合理性。然后基于此正确的求解器设置和网格生成,使用LES/FWH对比了典型超临界翼型的不同后缘设计参数对远场总声压级的影响,所得结论对低噪声超临界翼型优化设计有参考意义,同时为进一步的噪声控制优化设计提供了基础。     

超临界正十烷喷射到大气环境的喷射特性

研究了超临界正十烷(n-decane)喷射到静止常温常压大气环境中的近场射流结构及喷口附近的射流相变特性.研究结果表明,超临界正十烷喷射到静止大气环境中后会经历类似于理想气体不完全膨胀的过程,会在喷嘴下游产生马赫盘等激波结构,马赫盘的位置随喷射压力的提高而增大,而喷射温度对马赫盘位置几乎没有影响.当喷射温度较高时,超临界正十烷在喷嘴出口处直接进入气相区,没有凝结现象发生.而当喷射温度接近临界温度时,超临界正十烷会在喷嘴内部及出口处发生局部凝结,进入气液两相区.