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。     

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。     

二甲基醚发动机工作过程的数值模拟研究

以二甲基醚着火反应机理和热力学燃烧模型为基础,建立了二甲基醚着火数据库及发动机工作过程的数学模型,藉此进行了发动机的循环模拟计算．计算结果与验证实验结果对比表明,Wiebe模型、Watson模型和Whitehouse-Way模型均可应用于二甲基醚发动机工作过程的模拟计算．应用化学反应动力学模型对DME发动机着火过程模拟计算结果所建立的着火数据库表明,滞燃期是缸内温度、压力和燃空当量比的函数,在一定的燃空当量比范围内,着火滞燃期随燃空当量比增大而变小．而采取将着火数据库与Watson燃烧子模型相耦合的模拟计算能够与实验结果相吻合。     

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.     

高焓条件下燃料点火延迟调节对超燃发动机燃烧性能的影响

为了研究燃料与空气化学反应活性变化对超燃冲压发动机燃烧性能的调节机制,本文以氢燃料为基础,基于阿伦尼乌斯反应动力学体系和不确定量化分析(Uncertainty Quantification,UQ)方法,构建点火延迟可调的燃料模型,通过一系列的数值计算,对比分析燃料在不同点火延迟特性下的超声速燃烧特性。计算结果表明：基于不确定量化分析方法能够合理地构建基于点火延迟时间的氢燃料特性变化模型;当前高焓来流环境下,随着燃料点火延迟的增加,燃烧效率并不简单的单调递减,以氢气的基准点火延迟为参照,燃烧效率随点火延迟的变化存在两个清晰的拐点,并以此构成三个不同的特征区域,说明燃料的点火延迟特性对燃烧性能起不同程度的调控作用,详细的流动机理有赖于进一步针对燃烧流动结构形成和演化过程的精细化研究。     

RBCC发动机亚燃模态热环境分析

针对RBCC（火箭基组合循环）发动机的亚燃模态,通过三维数值模拟计算分析了不同的工况下RBCC发动机中的受热情况,得到热载荷分布。其中一次火箭、小支板尾端、凹腔出口受热最为严重。计算发现一次火箭的流量越大,对流换热系数越大。支板壁喷会产生二氧化碳剪切层,影响燃烧效率,但是会降低热流密度。通过较为系统的热力分析,为RBCC发动机热防护提供一定的设计依据。     

基于准维多区模型的DME发动机燃烧数值模拟

提出了一种基于准维多区模型的直喷式二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟方法,其中喷雾模拟考虑了燃油分布、液滴蒸发和空气卷吸对喷雾混合的影响。自燃着火过程的模拟以二甲醚着火反应机理为基础,建立了计及温度、压力和燃空当量比因索的着火滞燃期数据库,通过将该数据库与准维多区喷雾混合模型相耦合,对二甲醚发动机的性能和一氧化氮排放进行了预测分析．实验结果表明,模拟计算结果与实测数据符合较好．     

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。     

基于ECMS混联式混合动力客车工况识别控制策略

由于城市特殊的运行工况,单纯的基于规则控制策略很难从城市复杂的工况中获取最佳燃油经济性.以提高一款新型混联式混合动力客车燃油经济性为目的,为了更好地适应城市复杂的行驶工况,制定了一种工况自适应实时优化控制策略.根据等效燃油最小控制策略思想结合新型混联式混合动力客车的结构特点构建发动机与电池间的功率分配实时优化算法,针对城市循环工况的特点选定了4种典型的工况类型,并获得不同行驶工况和等效燃油转换系数及油耗的关系,经分析发现每一行驶工况都存在相应的等效燃油系数使得其油耗最低,因此采用LVQ神经网络模型对各工况特征参数进行学习训练以进行实时工况识别,利用工况识别的方法获取当前运行的工况类型并选择相对应的等效系数进行周期性更新以期达到最佳燃油经济性,从而实现对不同工况的适应性.仿真结果表明:其燃油经济性比单纯的能量管理优化控制策略提高了8.55%,同时电池SOC能够控制在预定的范围内运行.     

水组分对高超声速冲压发动机性能的影响

对在高超声速冲压发动机燃烧实验研究中,使用燃烧式加热器得到高焓、高压、高超音速气流时,实验介质中带入的水组分进行了模拟计算。初步研究表明,污染物中的水组分对超燃冲压发动机性能有较明显影响,水组分对于超燃冲压发动机性能的最终影响决定于气流的初始条件。     

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。     

甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火燃烧

在单缸发动机上进行了甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的试验研究,采用详细化学反应机理分析了它们的反应过程和中间产物历程.研究表明,甲醇和正庚烷浓度的变化主要通过影响第一阶段放热量和放热时刻,进而影响高温着火时刻.正庚烷当量比不变时,随着甲醇浓度增加,低温反应放热量减小,燃烧始点推迟;当总燃料当量比不变,增加正庚烷比例时,低温反应时刻提前,峰值放热率增加;正庚烷当量比和总燃料当量比之比在0.8左右时,高温着火时刻发生在上止点附近,此时气缸压力和峰值放热率最大.对排放影响因素分析表明,CO排放更多取决于燃烧温度,而HC主要取决于甲醇比例.数值模拟发现,OH摩尔分数在10-6数量级才触发冷焰反应,甲醇浓度的变化引起低温阶段nC7ket和OH最大浓度及时刻的改变,从而影响低温和高温反应.     

Experimental investigation on upstream-injection interaction with a scramjet cavity flameholder

The study has evaluated the coherent structures and the velocity field of gaseous transverse jet upstream of a scramjet flameholder in a supersonic turbulent flow. The high spatiotemporal resolution coherent structures of the jet plume/wakes and the cavity shear layer were obtained by utilizing the nanoparticle-based planar laser scattering technique. Compared to the no upstream injection case, the cavity shear layer downstream of the jet shows significant mass exchange with mainstream. The particle image veloc- imetry velocity field and the velocity profiles demonstrated that the interaction intensity of the cavity shear layer with the upstream injection is further enhanced as the injection stagnation pressure increases.     

喷油时刻对缸内直喷汽油机性能的影响

通过对某涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成及燃烧过程的数值模拟,并借助发动机台架试验中获得的油耗、排放及燃烧数据,研究了喷油开始时刻对发动机性能的影响.结果显示,对于5 000r.min-1工况,喷油开始时刻为400°曲轴转角是混合气雾化混合的最佳方案,此时混合气分布比较均匀且点火时刻火花塞附近具有较高的湍动能,10%～90%燃烧持续期最短且HC排放较低,从而使其具有最佳的燃油经济性与燃烧稳定性.而2 000r.min-1工况的最佳喷油开始时刻推迟了30°曲轴转角.喷油提前,壁面油膜量增加,混合气当量比下降及火花塞附近较低的湍动能使得燃烧速率降低,因此HC排放、燃油经济性及燃烧稳定性均会变差.同样的情况也出现在推迟喷油中,由于混合不充分使得点火时刻混合气均匀度下降,从而使发动机性能恶化.     

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。     

Fuel design real-time to control HCCI combustion

In order to achieve lower emissions and extensive load in the homogeneous charge com- pression ignition (HCCI) engine system, a novel fuel design concept that high-octane number fuel and high-cetane number fuel are mixed real-time to con- trol HCCI combustion is proposed in this study. HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mix- tures controlled real-time on a single-cylinder HCCI combustion engine is studied. The test results show that the equivalence ratio of n-heptane in mixtures decides ignition and controls the combustion phase of HCCI combustion. The addition of iso-octane ex- tends knocking limit in equivalence ratio somewhat, but knocking occurrence mainly depends on the total concentration of mixture. Although operating range in equivalence ratio becomes narrow with the increas- ing proportion of iso-octane, the maximum load of HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mixtures controlled real-time is increased about 80% more than that of pure n-heptane. When iso-octane/ n-heptane mixtures are controlled in optimized method, it is proved that the load of HCCI combustion can be fully extended and emissions can be de- creased remarkably, while at the same time the higher indicated thermal efficiencies are obtained over the extensive operation range.     

实时燃料设计的均质充量压缩着火燃烧与排放的试验研究

根据燃料设计的思想,提出了混合燃料比例实时优化的均质充量压缩着火(HCCI)燃烧控制新方法,并在HCCI单缸发动机上进行了HCCI异辛烷/正庚烷实时控制试验.结果表明:混合燃料HCCI着火以及燃烧相位主要取决于正庚烷实际的燃空当量比;异辛烷的加入对爆震当量比界限有所拓展,但HCCI爆震主要与混合燃料总当量比有关;随着辛烷值比例的提高,导致HCCI运行范围变窄,但是实时调控证明相对纯正庚烷,混合燃料的HCCI燃烧最大负荷提高了80%.试验证明了实时优化控制HCCI燃烧和降低排放的可行性.     

激光切割血管支架筋宽变化模型构建

在血管支架激光切割加工中存在着筋宽变化,影响支架撑开性能.基于激光切割血管支架的筋宽形成机理,构建出表述切割过程中支架筋宽变化的数学模型.理论计算及支架加工试验表明:管材激光切割点回转偏心量的大小是造成支架筋宽变化的主要因素;用数学模型指导调整机床,可将激光切割支架的筋宽变化控制在0.01 mm以下.     

边界参数对HCCI发动机燃烧影响的模拟研究

为了研究边界参数对柴油均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程的影响,应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN程序以及正庚烷(n-heptane)氧化反应简化模型,模拟了不同进气温度、进气压力和当量比等边界参数对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.结果表明,在相同当量比条件下,增压可以拓宽HCCI发动机负荷工况范围,同时保持氮氧化物排放基本不变;过浓或过稀的混合气导致CO排放增加;混合气浓度分层增加NO排放.     

填充墙钢筋混凝土框架结构简化分析模型及抗震性能系数研究

对结构进行动力和静力分析时,构件单元和模型的准确性将直接影响到分析结果。为在建立填充墙钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)框架简化模型时选择合适的单轴材料与简化模型,使用OpenSees基于3种单轴材料与4种填充墙简化模型结合填充墙RC框架试验对模型的准确性与适用性进行了对比分析。根据对比结果建立填充墙RC框架结构模型,采用Pushover方法对结构进行了整体抗震性能系数的分析。结果表明：Hysteretic材料可以准确地模拟滞回曲线的形状及峰值承载力;单撑杆模型对填充墙的峰值承载力、割线刚度、残余变形模拟较准确;五撑杆模型对填充墙的峰值承载力与初始刚度模拟较准确;满布布置的填充墙可增大RC框架结构的整体抗震性能系数,底层不布置填充墙会明显导致结构整体抗震性能系数的降低。因此,仅研究填充墙平面内问题时选用单撑杆模型即可,在设计时要考虑填充墙的布置,避免出现底部薄弱层而影响整个结构的安全。