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。     

边界层燃烧在超燃冲压发动机内的摩擦减阻特性

以模型超燃冲压发动机为研究对象,该文设计了一种边界层燃烧装置,基于考虑边界层转捩的四方程Transition SST湍流模型,化学反应动力学模型采用9组分27步反应的氢气/氧气反应模型,对边界层燃烧在超燃冲压发动机内的摩擦减阻特性进行数值模拟研究.结果 表明:引入边界层燃烧可以使超燃冲压发动机燃烧室壁面摩擦阻力得到大幅...     

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。      

纯净空气液态煤油超声速燃烧室性能研究

液态煤油高热值、高密度,还容易储存、便于携带,在飞行Ma数小于8的飞行条件下,煤油是超燃冲压发动机的理想燃料,如何实现煤油在超声速燃烧室中稳定燃烧是关键。本文在西北工业大学电阻加热超燃冲压发动机实验台上,针对给定的燃烧室,对以航空煤油为燃料的超声速燃烧冲压发动机燃烧室性能进行初步试验研究。实验来流空气总温为870-930 K,总压保持在77 kPa左右,燃烧室进口Ma数为2。同时结合CFD模拟,对3个不同油气比下燃烧室性能参数进行了对比分析。研究结果认为:要成功地实验煤油点火并稳定燃烧,成功设计凹槽及分布位置是关键;选择合适的油气比,可在提高燃烧室性能的同时保持隔离段的抗扰动能力。     

超燃冲压发动机性能的准二维计算方法

为了能在双模态超燃冲压发动机流道方案初步论证中提供一种较快速的发动机性能计算方法,在二维N-S方程基础上,引入一维完全燃烧计算方法,提出了预估超燃冲压发动机性能的准二维计算方法。该方法能够计入激波、边界层分离等对发动机性能的影响,可在较短时间计算出整机推力、比冲性能和沿程热力学参数。通过对自由射流发动机计算,验证了此方法。并在此基础上,初步分析了燃料喷注位置和流道构型对发动机性能的影响。      

利用油膜法研究缸内流体动态及其影响

本文论述直喷式柴油机燃烧室内流体可视化的实验方法。研究结果表明,采用油膜法、油点法能够把握燃烧室内气流运动形态,并揭示其对发动机燃烧特性的影响。     

基于超燃冲压进气压缩技术的Scrampressor研究

基于冲压发动机进气道压缩技术的Rampressor具有结构简单,压比高等优点。但其压缩机理导致其总压损失高,出口超音速及出口气流角偏小等问题,从而增加下游部件的设计难度。为了弥补Rampressor压缩转子的弱点,提出一种基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子(Scrampressor)的设计方法。首先通过与Rampressor对比,阐述scampressor压缩原理并给出其设计方法;其次采用三维雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型对其流场进行了数值仿真,研究了转速、背压对三维压缩转子流道中波系结构、内部流动特性和性能的影响。计算结果表明：所提出的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子(Scrampressor)三维进气流道设计方法是可行的。该压缩转子具有结构简单、较高压比、流量较大、出口马赫数合适和出口气流角相对较大等优点。     

甲醇缸内直喷复合导流分层燃烧系统的优化研究

综合缸内直喷发动机壁面引导、喷雾引导和气流引导分层燃烧系统的特点，在一台柴油机改造的火花点火发动机上，开展了甲醇缸内直喷复合导流分层燃烧的研究．对影响燃烧系统性能的导流面位置、火花塞伸出缸盖距离、涡流比、供油提前角、点火提前角、喷油器启喷压力、喷油嘴型式等主要参数进行了优化．优化后的甲醇发动机可以实现过量空气系数为2．23的分层燃烧，[第一段]     

基于超燃冲压进气压缩技术的Scrampressor研究（英文）

基于冲压发动机进气道压缩技术的Rampressor具有结构简单,压比高等优点。但其压缩机理导致其总压损失高,出口超音速及出口气流角偏小等问题,从而增加下游部件的设计难度。为了弥补Rampressor压缩转子的弱点,提出一种基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子(scrampressor)的设计方法。首先通过与Rampressor对比,阐述scampressor压缩原理并给出其设计方法;其次采用三维雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型对其流场进行了数值仿真,研究了转速、背压对三维压缩转子流道中波系结构、内部流动特性和性能的影响。计算结果表明:所提出的基于超燃冲压发动机进气道压缩技术的压缩转子(scrampressor)三维进气流道设计方法是可行的。该压缩转子具有结构简单、较高压比、流量较大、出口马赫数合适和出口气流角相对较大等优点。     

汽油直喷发动机燃烧特性分析

通过试验研究了2.0 L汽油直喷(GDI)发动机在中、低转速和部分负荷下的燃烧特性,并与进气道喷射(PFI)发动机的燃烧特性进行了对比,同时分析了滚流比对GDI燃烧特性的影响.结果表明:在转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa的工况下,GDI发动机的燃烧速度要低于PFI发动机的;发动机在中、低转速工况下,提高气道滚流比可以增强缸内气流运动强度,提高混合气的燃烧速度;当发动机转速达到3 000 r/min时,高滚流比会引起燃烧过程恶化.进气道翻板的应用可以提高低转速发动机的气流运动速度,加快缸内混合气的燃烧,改善低转速发动机的热效率.在转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa工况下的计算流体力学分析结果显示,进气道翻板的关闭会增强缸内气流运动强度,提高可燃混合气分布的均匀性.     

一种径向布局双模块高超音速进气道起动特性研究

对一种定几何径向布局轴对称亚燃/超燃高超音速进气道的起动过程、亚燃室反压引起的不起动、飞行速度引起的不起动和再起动过程的非定常流态进行了数值仿真。仿真结果表明:亚燃进气道起动过程中,由于亚燃进气道采用附面层抽吸措施,起动和再起动能力较好;而超燃进气道起动过程中,容易受到亚燃进气道压缩波系的影响。     

吸气式高超声速技术研究进展

系统总结了中国空气动力研究与发展中心在吸气式高超声速技术研究方面取得的主要进展,包括:试验设备、超燃冲压发动机、数值模拟以及机体/推进一体化飞行器。CARDC经过十多年的努力,建成和改造了三种类型的高焓设备:脉冲式燃烧加热风洞、连续式燃烧加热风洞和电弧风洞。开展了多种尺度的超燃冲压发动机的直连式和自由射流式试验,获得了发动机的基本性能及其随油气比、喷孔位置等的变化规律。通过连续式和脉冲式风洞试验结果对比,表明工作时间大于100 ms的脉冲式燃烧设备是开展发动机基本性能研究的经济、高效试验手段。成功研制了三维大规模并行数值模拟软件平台AHL3D并广泛应用于发动机研究。在Φ0.6 m风洞中,完成了1.5 m带动力飞行器试验,获得了发动机工作和不工作状态下的飞行器推阻及升力特性。同时提出了地面试验、CFD和飞行试验三者综合研究分析的重要性。     

高超声速喷管中水蒸气凝结的数值研究

我们针对高超声速燃烧加热风洞喷管流动的大扩张比、高马赫数、高低温气体并存和高水蒸气含量的特点,发展了兼顾高温气体效应与水蒸气非平衡凝结过程影响的有限体积计算方法,对伴随水蒸气凝结的喷管流动的机理开展了数值研究.计算中,凝结模型采用Hill矩方法进行模拟.数值分析着重关注喷管进出口气流的参数变化.结果表明,燃烧加热风洞的凝结问题计算中,应考虑高温气体效应的影响,以保证结果的合理性;随总温、水蒸气含量等参数的不同,喷管流动中的凝结现象会呈现明显不同的特征,适量的水蒸气含量和较低的总温会使得凝结后的流场参数发生显著改变.     

Experimental investigation on the cavity-based scramjet model

The present work focused on improving the engine performance with different fuel equivalence ratios and fuel injections. A scramjet model with strut/cavity integrated configurations was tested under Mach 5.8 flows, The results showed that the strut may sreve as an effective tool in a kerosene-fueled scramjet, The integration of strut/cavities also had great effect on stablizing the combustion in a wide range of fuel equivalence ratio. The one-sdimensional analysis method was used to analyze the main characteristics of the model. The two-stage fuel injection should have better performance in increasing the chemical reaction rate in the first cavity region.     

高超声速飞行器技术研究进展

 高超声速技术作为新世纪航空航天的标志性技术,已成为国内外军事、航天领域关注的重点技术。对高超声速飞行器进行了分类,对国外主要军事大国高超声速飞行器的发展路线、总体方案、性能参数等进行了梳理,围绕对高超声速飞行器发展产生重要影响的气动设计技术、高超声速推进技术、高超声速结构热防护技术、高超声速制导控制技术,剖析了技术发展特点和技术发展方向。基于国外高超声速飞行器的型号发展和投入方向,认为高超声速滑翔飞行器将成为高超声速领域优先发展领域。     

高超声速飞行器机翼关键部件损伤特性研究

为有效预防机翼关键部件损伤对飞行安全的影响, 分析了高超声速飞行器机翼关键部件的损伤演化及飞 行器飞行动态对损伤的影响。 通过建立高超声速飞行器机翼材料的损伤动力学模型以及对机翼翼梁根部载荷 应力分析, 依次分析了飞行器飞行高度、 速度、 迎角以及副翼偏转角等变量对机翼关键部件损伤特性的影响, 以确定影响损伤的关键变量。 分析仿真结果表明, 相对于其他变量, 飞行器迎角对机翼关键部件损伤的影响最 大。 从保证飞行器安全和延长寿命的角度分析, 应尽量限制飞行器的迎角。 从而为减损控制系统设计奠定基 础, 并为提高飞行器结构的可靠性和延长飞行器寿命提供参考。     

用统计能量法分析飞行器声振响应影响因素

基于统计能量分析(SEA)原理,对高超声速飞行器X-43A建立了SEA模型,并合理划分子系统,采用理论及经验公式确定SEA模型的参数.针对结构子系统的内损耗因子以及声腔子系统的吸声系数,讨论了响应灵敏度分析.对平板子系统划分方式和材料厚度对声振响应的影响进行了对比分析.结果表明:飞行器壳体材料结构和阻尼因子以及厚度的改变对壳体声振响应特性影响较大,子结构划分方式对计算精度有较大影响,在声学结构设计中要综合考虑这些因素的影响.     

Parametric effects on the combustion flow field of a typical strut-based scramjet combustor

The flame-holding mechanism in hypersonic propulsion technology is the most important factor in prolonging the duration time of hypersonic vehicles.The two-dimensional coupled implicit Reynolds-averaged Navier-Stokes equations,the shear-stress transport k-ω turbulence model and the finite-rate/eddy-dissipation reaction models were used to simulate the combustion flow field of a typical strut-based scramjet combustor.We investigated the effects of the hydrogen-air reaction mechanism and fuel injection temperature and pressure on the parametric distributions in the combustor.The numerical results show qualitative agreement with the experimental data.The hydrogen-air reaction mechanism makes only a slight difference in parametric distributions along the walls of the combustor,and the expansion waves and shock waves exist in the combustor simultaneously.Furthermore,the expansion wave is formed ahead of the shock wave.A transition occurs from the shock wave to the normal shock wave when the injection pressure or temperature increases,and the reaction zone becomes broader.When the injection pressure and temperature both increase,the waves are pushed out of the combustor with subsonic flows.When the waves are generated ahead of the strut,the separation zone is formed in double near the walls of the combustor because of the interaction of the shock wave and the boundary layer.The separation zone becomes smaller and disappears with the disappearance of the shock wave.Because of the horizontal fuel injection,the vorticity is generated near the base face of the strut,and this region is the main origin for turbulent combustion.     

湿工况下翅片管换热器空气侧热质传递的数值模型

析湿在翅片管换热器用作蒸发器时经常发生,对换热器的性能有重要影响.文中提出了能从机理上对湿工况下翅片管式换热器空气侧的热质传递过程进行模拟的数值模型,它不仅包括用于反映水蒸气和液态水之间由于浓度差所形成的传质模型,而且包括基于经典成核理论的反映水蒸气直接冷凝过程的传质模型.该模型的计算精度较好,传热无量纲参数jh和实验数据的平均相对误差为6.93%,传质无量纲参数jm和实验数据的平均相对误差为12.1%.数值仿真表明,空气相对湿度仅在部分析湿工况下对传质特性有较大影响.     

水陆两栖飞机全机模型静水滑行水动性能预报

水面起飞性能是水面飞行器的基本性能,也是总体技术的核心,涉及多个学科领域。水陆两栖飞机水面高速滑行水动力性能与排水型船不同,具有速度高、运动复杂等特点,高速滑行时一方面受到较大的水动升力,另一方面受到机翼的升力。本文结合水陆两栖飞机水面高速滑行特点,利用RANS数值方法和重叠网格技术对水陆两栖飞机全机模型开展数值仿真模拟,分析了自由液面水气分布、机身底部压力分布特征,并将阻力、姿态和升沉与水池模型试验结果进行对比,验证了数值方法的准确性,为水陆两栖飞机静水滑行水动性能数值预报提供技术基础。