液体煤油凹槽火焰稳定极限研究

针对所设计的超燃冲压发动机燃烧室,对液体煤油的凹槽火焰稳定特性进行研究。采用概率密度函数紊流扩散燃烧模型、紊流 模型和离散液滴模型,数值模拟了飞行马赫数为5,不同位置和油气当量比喷射燃料的情况。从凹槽前缘喷射燃料,凹槽在富油时火焰稳定范围比较广;从凹槽底面和后壁喷射燃料,凹槽抑制了富油时火焰稳定范围,而在贫油时火焰稳定范围比较广。火焰结构受燃料喷射位置和油气当量比的影响。油气当量比是3.0时,凹槽出现开放型凹槽流动;而其它的模拟情况,凹槽均出现过渡型凹槽流动,这与冷流时凹槽流动类型不同。深入研究凹槽的热流场特性,使凹槽发挥最大的火焰稳定作用。     

H2O/CO2污染对煤油燃料超声速燃烧影响数值研究

在纯净空气与H₂O/ CO₂污染空气来流对比试验结果基础上,采用数值计算方法和化学动力学方法,研究了H₂O和CO₂污染组分对煤油燃料超声速燃烧的影响,获得了试验手段难以得到的燃烧室流场参数和性能数据。完成了相应的煤油燃料超声速燃烧室二维数值计算,其中匹配了进口总温、总压、马赫数、氧气摩尔分数和工作当量油气比。将数值计算结果与相应试验测量值进行了对比分析,并结合燃烧室流场数据、性能参数分析了H₂O和CO₂污染的动力学影响、以及对燃烧室性能的影响。研究表明:(1)数值计算结果与实验测量值总体上吻合,两种手段均体现了纯净空气来流时不同煤油当量油气比的燃烧室性能,并反映了一致的“污染效应”影响趋势；(2) H₂O污染、H₂O+ CO₂污染的存在降低了煤油燃料超声速燃烧室性能,体现在燃烧诱导压升、燃烧效率、流向冲量增量的下降,而且随着污染组分含量的增加,燃烧室性能下降越加显著。      

等压和等面积燃烧条件下超燃冲压发动机性能对比分析

超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机,具有结构简单、成本低、单位推力高和速度快的优点,已成为高超声速导弹武器系统及可重复使用军用航天器动力系统领域的研究热点之一。本文通过对超燃冲压发动机建模,并分别对等压燃烧和等面积燃烧过程进行仿真,对比分析了两种情况下的发动机性能参数变化,在改进燃烧室几何构型和提高发动机性能方面具有理论指导意义。     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H₂/O₂七组分八方程模型,湍流模型为标准的 k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。      

不同燃料超声速燃烧室准一维计算模型

快速高效的准一维计算是超燃冲压发动机设计的重要研究方法。该文发展建立了适用于气态或液态燃料、包含隔离段结构、跨声速工况的准一维通用计算模型。该模型以Euler方程组作为基本控制方程,综合考虑了燃烧室截面面积变化、液态燃料蒸发相变、燃料质量添加、摩擦力项以及隔离段内斜激波串结构对流动的影响等因素。依次以NAL氢燃料发动机实验、气态煤油燃料发动机实验和液态煤油燃料发动机实验等3个不同燃料实验作为验证算例对模型进行考核,计算结果与实验数据均吻合良好,验证了模型的有效性和准确性。该模型可进一步应用于各类燃料的超燃冲压发动机燃烧室结构及工作参数的设计与优化等研究工作。     

引射模态总压比对气动壅塞影响

为了获得高亚音速飞行条件下引射模态射流壅塞情况、提高引射模态火箭射流引射抽吸能力和发动机性能,本文利用全流道一体化数值模拟方法,针对Ma=0.8飞行状态,研究了在无二次燃烧组织的条件下,主次流总压比对引射空气流量、Fabri壅塞的影响规律,结果表明：在低总压比条件下,提高主次流总压比,可提高火箭射流的引射抽吸能力,引射空气流量增大;随着总压比的进一步提高,欠膨胀的火箭射流超声速势核区会挤压引射空气流道,冲压燃烧室反压前传导致引射空气流量降低;主次流总压比高于350,火箭射流会将引射空气流道堵塞,产生Fabri壅塞,引射空气流量降低为零。     

2012-17 科技新闻媒体关注指数排行榜

 现代战争的需求推动了美国高超声速飞行器的研制步伐，2010年美国成功试飞了X51，飞行速度达到了6.5马赫数。“在飓风中点燃并维持一根火柴燃烧”，《基督教箴言报》这样形容超燃冲压发动机中点火和稳定燃烧的难度。可见，超声速点火和燃烧是超燃冲压发动机研究中的一项关键技术，世界上多个国家对其高度重视，投入了大量人力物力开展研究。对于超声速燃烧，流体驻留时间短成为困扰学者的一大难题，如101kPa下温度为1000—1500K时，乙烯/空气的点火延迟为30ms—20?滋s，而马赫数为2—3的流体在长1m的燃烧室驻留时间仅为1ms，流体留驻在燃烧室的时间与化学反应时间处于同一量级，很难达到充分燃烧。     

壅塞可调固体火箭冲压发动机性能计算

综合给出了二维超声速进气道特性,并将其应用于壅塞可调固体火箭冲压发动机性能计算中,建立了壅塞可调固体火箭冲压发动机特性计算方法.通过调节燃气发生器喷管喉道面积保持给定空燃比不变.根据飞行速度/高度计算出了发动机非设计点性能和相应的燃气发生器喉道面积变化规律.结果表明,飞行速度/高度对燃气发生器喉道面积调节计划产生相当大的影响;当飞行高度低于设计高度时,高度变化明显改变进气道-发动机匹配工作点,高空低马赫数飞行时,进气道位于严重亚临界工作状态,明显降低了超声速进气道稳定工作范围.     

氢气超声速燃烧过程的多步简化反应机理数值模拟

为了减少燃烧试验次数和改进超燃冲压发动机结构设计,采用大型模拟软件Fluent,对氢气和空气在超燃冲压发动机内的超声速流动与燃烧过程进行数值模拟。首先对空气和燃料在发动机中的冷混流动进行模拟,然后分别采用一步总包或多步简化化学反应机理,模拟超声速燃烧过程。结果显示,采用一步总包反应机理时,燃料点火容易,得到的燃烧效率也比较高,但是得到的温度偏高;采用多步简化反应机理,不容易点火,模拟过程中火焰易灭,模拟所需要的时间也比较长,但得到的流场与实验过程更接近。     

化学反应机理对煤油超声速燃烧数值模拟的影响

本文在RANS方法框架下,采用部分预混火焰面模型耦合3种不同的煤油替代燃料的多步机理,对液态煤油在基于双级支板喷注的超燃冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。来流总温为1231 K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室。煤油替代燃料的化学反应机理分别包括16组分23步反应(Mech.16),40组分141步反应(Mech.40),以及106组分382步反应(Mech.106)。结果表明:化学反应机理对燃烧流场的流动结构和火焰结构均存在着显著的影响。与试验结果相比,包括了低温机理的Mech.40预测的壁面静压分布曲线明显优于另外两种机理。这是因为该机理可以较为准确地预测低温区域的点火延迟时间,并且预估的熄火标量耗散率更大一些。     

地面燃机燃用不同燃料的燃烧室性能分析

从发动机燃烧性能的角度出发,研究了航空发动机改地面燃机后燃用其他燃料对燃烧室性能的影响.利用流体计算软件Fluent,针对地面燃机燃烧室燃用航空煤油、轻柴油、工业酒精、天然气4种不同燃料,进行模拟计算,给出燃用不同燃料时的燃烧性能.结果表明,从燃烧的角度来看,轻柴油的燃烧性能与航空煤油差别不大,可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用,燃用天然气的NOx排放及CO排放都很低,天然气是一种理想的低污染燃料.工业酒精由于物性及热值与航空煤油差距很大,地面燃机改烧工业酒精还需作相当深入的研究.该研究对发展下一代航空替代燃料有一定的参考价值.     

WP6航空发动机改柴油适应性数值研究

采用数值计算方法,利用概率密度函数(PDF)燃烧模型对WP6航空发动机由煤油改柴油的适应性进行了研究。分别得到使用航空煤油(RP-3)和0号柴油燃烧室的流场、温度场、总压力损失、出口温度分布、污染物和燃油蒸发过程等燃烧特性。研究结果表明:当航空煤油改为0号柴油,燃烧效率降低约3.6%和CO排放量在最大工况下增大约7.5倍;出口温度分布和总压损失差异分别在1%、2%之内。以上结果为WP6航空发动机改地面柴油型燃气轮机设计提供重要的技术支持。     

燃气涡轮增压系统燃烧室设计

根据燃气涡轮增压系统结构要求,提出了一种新型滚流回流燃烧室结构,通过CFD数值模拟,研究其内部温度场和出口温度分布情况,确定了燃烧室的主要结构参数.采用粒子图像测速仪（PIV）测量燃烧室内筒头部的冷态流场,证明燃烧室头部存在滚流回流区,能够形成稳定的火焰区.在燃烧试验中,进行了贫油点火和贫油熄火试验研究.结果表明在一定流量范围内,文中燃烧室贫油点火及贫油熄火油气比均随进口马赫数的增大而增大;将文中燃烧室与外形尺寸相近的旋流进气燃烧室的总压恢复系数对比,结果表明相同的流量下文中燃烧室的总压恢复系数平均提高约2%.      

再生冷却结构参数对煤油流动换热的影响及优化

为揭示冲压发动机燃烧室再生冷却结构参数对煤油流动换热的影响,实现对结构参数的优化,以单根再生冷却通道为研究对象,在通道总数一定的情况下,分别对RP-3航空煤油在不同内壁厚度、肋片厚度及高度的通道中流动换热进行了数值研究,发现薄内壁的通道冷却效果好,流动压力损失稍大;厚肋片的通道冷却效果好,但压力损失随肋片厚度的增大而急剧增大;随着高度增大,冷却效果变差,但流动压力损失急剧减小;3种结构参数对油温的影响都很小。分别对影响机理进行了理论分析,在此基础上,为得到一种对流换热效果尽可能好以及流动压力损失尽可能小的冷却通道,利用Workbench平台的目标驱动优化工具,采用遗传算法对冷却通道进行优化设计,经校验,优化后的通道满足设计目标。     

二冲程对置发动机工作特性研究

二冲程对置发动机以其良好的功重比广泛应用于无人机、无人车等领域,采用火花点燃的工作方式使之更适合采用汽油为工作介质。文中针对装备应用需采用航空煤油的技术需求,进行了不同介质（煤油和汽油）,不同喷射系统（夹气燃油喷射和气道喷射）之间的试验对比.结果表明：燃料同为汽油时,在不同节气门开度工况下,采用夹气喷射的发动机动力性优于气道喷射;只有夹气方式可以使煤油实现冷起动;进行了夹气煤油整机配机试验,在高转速工况下,节气门开度由30%提高至80%,发动机的功率和扭矩分别约增加了10 kW和65 N·m,工作过程与传统的火花点燃式发动机几近相同;最后探究了节气门控制在50%,夹气方式下煤油与汽油的性能差异对比,表明采用汽油燃料的动力性更优,功率和扭矩分别约增加了5 kW和35 N·m.     

H2/RP-3航空煤油混合燃料着火特性研究

实现碳氢燃料的快速点火与稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中必须解决的关键问题。在航空煤油中添加乙醇燃料,利用乙醇热分解得到氢气等可燃小分子气体来改善燃烧过程是达到促进航空煤油着火与燃烧稳定的有效手段。选取正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料作为RP-3航空煤油的模拟替代燃料,构建了其燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。为揭示氢气对RP-3航空煤油着火特性的影响,构建了RP-3航空煤油/氢气混合燃料的燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。同时,采用该燃烧反应机理分析了多工况下掺氢比对RP-3航空煤油着火特性的影响。结果表明,采用正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料的燃烧反应机理计算得到的着火延迟时间与相应工况下RP-3航空煤油着火延迟时间的试验数据吻合良好;多工况下氢气添加能够提升RP-3航空煤油/氢气混合气活性,缩短着火延迟时间,促进燃料着火;同时,随着混合气中掺氢比的升高,混合气的着火延迟时间逐渐缩短。     

Shock tube study on auto-ignition characteristics of kerosene/air mixtures

Ignition delay times are obtained for kerosene/air mixtures behind the reflected shock waves at temperatures between 1445 and 1650 K,at a pressure of 0.11 MPa and an equivalence ratio of 1.0.A nebulization device with Laval nozzle is used to nebulize kerosene and form an aerosol phase,which evaporates and diffuses rapidly behind the incident shock waves.Mixtures auto-ignite behind the reflected shock waves.An ICCD is used to visualize the kerosene/air mixture’s ignition characteristics.The mixture’s ignition intensity increases with increase in initial temperature.Continuous and irregular flames exist below 1515 K while plane and discontinuous flames exist over 1560 K.Ignition delay times decrease with increase in initial temperature.Experimental data shows good agreement with results reported previously in the literature.A new surrogate (consisting of 10% toluene,10% ethylbenzene and 80% n-decane) is proposed for kerosene.Honnet et al.’s mechanism is used to simulate the ignition of kerosene with calculations agreeing well with the experimental data.The sensitivity of reaction H+O2 <=>OH+O,which shows the highest sensitivity to the ignition delay time,increases with an increase in temperature.The chain breaching reaction of CH3 with O2 accelerates the total reaction rate and the H-atom abstraction of n-decane controls the total reaction rate.The rate of production and instantaneous heat production indicate that two reactions,H+O2 <=>OH+O and O+H2 <=>OH+H,are the key reactions to the formation of OH radicals,as well as the main endothermic reaction.However,the reaction of R3 is the main heat release reaction during ignition.Flame structure analysis shows that initial pressure is increased slightly as CO and H2O will appear before main ignition.     

新型等离子体点火燃烧筒研究

以装有150kW等离子体发生器的某等离子体点火试验燃烧器为例,应用数值模拟的方法对等离子体点火燃烧器的稳燃性能进行了研究,并提出了一种新型的径向/切向进风等离子体点火燃烧筒.研究结果表明,一次风速(风粉气流流速)、等离子体气流的穿透区域和煤粉浓度等是影响等离子体点火过程及煤粉着火燃烧的主要因素.径向/切向进风可以在燃烧筒内形成多向回流和旋流,使得风粉气流在燃烧筒内不仅有轴向速度,而且还有径向和切向速度,改变了轴向进风气流运动的单一性,增加了煤粉气流在筒内的停留时间,着火区域扩大,火焰充满度好,有利于燃烧筒内的稳燃.     

矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

针对先进动力装置利用航空煤油实现再生冷却的现实需求,建立了矩形冷却通道流/固/热耦合的三维数值模型,分析了入口质量流量、压力、热流密度等工况条件对矩形通道内航空煤油流动传热特性参数的影响。结果表明：增大质量流量和减小热流密度都会提升航空煤油的换热能力;在一定压力范围内,压力对航空煤油换热的影响不明显,但随着压力的增加,煤油的换热能力变差;由于传热恶化的发生,上述工况对压力损失和摩擦阻力的影响较为复杂。     

高速航空螺旋桨翼型气动特性及数值仿真

为了提升高速航空螺旋桨的气动性能,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法研究了平凸翼型NACA4412、超临界翼型RAE2822和高雷诺数薄翼型NACA65206在不同马赫数、不同攻角下的升阻比变化规律,以及翼型流场的马赫数等值线分布等。通过翼型的升阻比特性研究,选用NACA65206翼型设计了一款高速航空螺旋桨,并进行了螺旋桨流场的CFD仿真和气动性能计算。结果表明：随着马赫数从0.5提高到0.9,NACA65206翼型具有更好的升阻比特性,并且失速特性不断改善;采用NACA65206翼型设计的螺旋桨在0.6飞行马赫数下,推进效率高于80%,在0.7飞行马赫数下,推进效率高于75%,说明了使用薄翼型结合大后掠角度设计的高速航空螺旋桨具有较好的推进效率。