马赫数10条件下冲压发动机内氢气燃烧特性试验

针对高马赫数超燃冲压发动机面临的高效燃烧组织挑战,本文提出了一种凹腔后缘激波强化的高马赫数超声速燃烧组织技术,并设计了一套燃烧室采用双侧对称布置凹腔结构的三维发动机试验模型。采用OH*基化学发光光谱诊断与壁面测压相结合的试验手段,在自由活塞驱动激波风洞的名义Ma=10流场中,对凹腔上游横向氢气射流的燃烧特性进行了研究,并讨论了模拟流场的重复性,给出了氢气燃烧演化特征、火焰稳定结构及释热特性。不同车次的总压等流场参数表明试验流场具有较高的重复性,可保障氢气燃烧特性的可复现性。通过观察试验过程中OH*基动态发光特征发现,在高焓激波风洞发动机试验中采用燃料提前喷注的方法使发动机流道在空气主流到来之前充盈大量的氢气,进而在主流到达发动机内的瞬间形成所谓“激波管流动-燃烧”效应,使来流空气与氢气接触面发生自点火与剧烈燃烧,产生显著不同于发动机正常工作情况下的点火与燃烧机制,但随着主流趋于平稳,“激波管流动-燃烧”效应消失,在高总温气流的自点火效应与凹腔后缘的X型激波耦合作用下,火焰稳定在凹腔上游近壁面区的氢气射流尾迹区和凹腔后缘附近的全流场中。通过分析壁面压力分布特征发现,凹腔后缘的X型激波实现了燃烧的强化与火焰的稳定,并获得了最显著的释热压升。这些结果表明高马赫数冲压发动机可利用凹腔后缘X型激波强化燃烧和稳定火焰。

固体火箭冲压发动机气固两相掺混燃烧过程评价方法

为了合理地评价固体火箭冲压发动机补燃室内一次燃气/空气掺混燃烧过程,提出一种基于颗粒质量浓度的固体火箭冲压发动机掺混燃烧过程评价方法。建立发动机数值模拟方法并通过了地面试验验证;针对不同工况条件下补燃室掺混燃烧过程,通过数值模拟,分析对比了不同定义方式掺混度与燃烧效率的变化趋势。结果表明,提出的颗粒掺混度与颗粒燃烧效率二者间显示出最大程度的相关性,不同工况下的平均最大信息系数达到了0.9163。一次燃气/空气掺混与燃烧过程体现以下相关性规律:颗粒燃烧效率随颗粒掺混度的增大而增加,当颗粒掺混度超过一定阈值后,颗粒燃烧效率保持相对稳定。最后通过试验验证了该规律。

固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题,设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机,开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明:掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象,为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置,将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率,本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。

超燃冲压发动机羟基/煤油-PLIF同步测量研究

应用一套500 Hz PLIF(Planar laser induced fluorescence)系统开展了煤油燃料超燃冲压发动机实验研究,实现了超燃冲压发动机燃烧室内火焰结构和煤油分布可视化测量。通过对OH-PLIF和煤油-PLIF同步测量方法分析,揭示了超燃冲压发动机煤油掺混燃烧振荡特性规律。利用PLIF图像的几何特征、强度特征和动态模态分解,分析了煤油掺混过程对火焰传播及燃烧特性的影响。研究表明,在煤油单独燃烧阶段,煤油主要分布在燃烧室上游。OH基受燃料分布的影响,在燃烧室内重复性地聚集和扩散,呈现破裂带状。动态模态分解结果表明,煤油掺混过程对燃烧振荡存在影响。

超燃冲压发动机燃烧室流场超分辨率重建

超声速燃烧室受限空间内复杂流场波系结构的获取受到光学测量装置精度的制约。为提升流场时空分辨率特征,本文应用中国空气动力研究与发展中心地面脉冲燃烧风洞获取的试验数据,在发动机入口马赫数2.5的条件下,构建了6种不同当量比下基于压力数据重构的燃烧室流场低分辨率图像数据集,研究了三种提高图像分辨率的方法来提升超燃冲压发动机燃烧室流场重构图像的分辨率。结果表明,本文所提出的流场超分辨率稠密网络(Flow-field Super-Resolution Dense Network,FSRDN)、流场超分辨率生成对抗网络(Flow-field Super-Resolution Generative Adversarial Network,FSRGAN)、传统的双三次插值法(Bicubic interpolation,Bicubic)对流场图像分辨率都提高了4^(2)倍。FSRDN网络所得流场图像结果的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)、相关性系数(Correlation coefficient,CORR)、感知指数(Perceptual Index,PI)指标均优于双三次插值法,但实际图像存在过于平滑的现象。FSRGAN网络所得流场结果消除了图像平滑现象,使流场图像的细节更加丰富,大幅度优化了PI指标,对燃烧室内的剪切层、斜激波、分离激波等主要波系结构的清晰度有了极大的增强作用。

冲压发动机燃烧室超声速来流横向喷雾轨迹预测模型及动态特性分析研究

为探究超声速来流下圆柱横向射流轨迹及喷雾动态特性,在宽来流马赫数(Ma=1.50,2.02,3.09)条件下开展了不同喷嘴直径与喷注压力的煤油喷雾试验,通过纹影系统捕捉射流图像并进行外边界拟合与频谱分析。建立了考虑射流前激波效应的穿透深度预测模型,最大与平均相对误差较先前的预测模型分别下降约36%和19.1%。通过快速傅里叶变换分析,发现喷雾所受扰动以低频波为主,同时伴有时间特征较为复杂的波动。本征正交分解分析结果证明,喷雾表面同时存在高低频扰动,但低频波占据主导地位,高频波能量较低可被忽略,对应了快速傅里叶变换分析结果;低频波频率与来流有效韦伯数有关,有效韦伯数增大会使波长减小,当喷雾前端的来流速度差别较小时,频率就会增大。

高密度烃在冲压发动机再生冷却中适用性研究

为了研究高密度烃是否适用于宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却,分析了高密度烃再生冷却关键表征指标及其实验方法研究现状,然后模拟再生冷却系统典型冷却通道结构,在背压3.5 MPa和6.0 MPa工况下,采用单管直流电加热实验系统,开展了HD-01高密度烃热沉及结焦特性研究。研究结果表明:在3.5 MPa背压实验中,出现了燃料温度振荡、管路热声振荡和外壁温度异常升高现象;而在6.0 MPa背压实验中,未发生管路热声振荡现象,燃料温度和外壁温度升高过程均较为平稳。3.5 MPa背压和6.0 MPa背压两种工况的HD-01高密度烃600℃热沉均大于1.8 MJ/kg,在整个实验温度范围内,热沉上升速率变化不明显,表明在600℃内燃料的裂解率不大。在600℃进行长时间加热结焦实验时,加热管进出口压差非常稳定,均没有超过30 kPa,没有出现结焦堵塞使压力急剧上升的情况,表明HD-01高密度烃在600℃以内结焦率很低。从热沉及结焦特性两个关键指标分析可知,HD-01高密度烃适用于最高马赫数5.0的宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却。高密度烃用于再生冷却时,冷却通道的设计压力应高于其临界压力值3.6 MPa,并留有足够裕度,以保证发动机再生冷却在全域全温范围内稳定可靠工作。

进口拐角波系对超燃冲压发动机尾喷管的性能影响

为了探究进口拐角波系对超燃冲压发动机喷管的壁面压力分布作用机制,考虑进口拐角波系对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响,开展不同拐角波及其强度对喷管气动参数影响的数值模拟分析。进行数值方法有效性和网格无关性验证,利用不同的前后台阶来形成进口拐角波系,研究了不同波系和波系强度对喷管气动性能的影响。结果表明,进口拐角波系造成的进口非均匀对喷管气动性能造成显著影响,其中推力系数在上下壁面存在后台阶时最大增加13.98%,升力在下壁面前台阶时提高94.32%,而俯仰力矩则在上壁面前台阶、下壁面后台阶时最多降低35.47%。当喷管进口存在单侧前台阶时,随台阶高度增加,升力与俯仰力矩的变化趋势一致;而喷管进口存在单侧后台阶时,结论相反。此外,壁面台阶对喷管性能的影响是相互独立的,且基本符合线性叠加原理。

超燃冲压发动机燃烧室三种冷却结构性能比较

面对超燃冲压发动机燃烧室严峻热环境,需要通过改进设计以提高气膜冷却性能。本文用数值方法分析比较了三种不同于传统气膜冷却的结构:(1)沿冷气通道增加气膜孔直径的改进型气膜冷却结构;(2)增加冷气冲击与对流换热的层板冷却结构;(3)增加多孔板的发散气膜组合冷却结构。通过机理实验数据验证数学模型和数值方法。利用经过验证的模型和方法,在真实的超燃冲压发动机燃烧室工况下,数值分析三种结构的冷却机理。在不同冷气注射量下,比较三种冷却结构热端冷却效率及温度分布的均匀性,结果表明组合冷却结构最高冷却效率高出其他结构的28%。此外,分析热障涂层对三种结构综合冷却特性的贡献,结果表明层板结构冷却效率在大冷气量下高出其他结构的16%。

镁-二氧化碳冲压发动机粉末燃料供应特性研究

为了研究镁-二氧化碳冲压发动机粉末燃料供应特性,搭建了粉末流量实时监测系统、高背压模拟系统和粉末喷注可视化实验系统,对所供应粉末流量的准确性和稳定性、不同载气流量下供粉状态和粉末喷注特性等供应性能进行了详细分析。结果表明:采用气固两相流壅塞式供应方式,可以确保供应系统在模拟发动机工作过程中的高背压环境下稳定且精确地供应粉末,实测粉末流量与理论最大偏差4.8%;为保证发动机工作稳定性,燃烧试验应在载气压力稳定阶段开展,此过程中供粉流量仅与活塞速度和粉末装填密度有关;在研究的载气流量范围内,载气流量对供粉流量影响不明显,但对粉末喷注特性有显著影响。粉末喷注速度随载气流量增大而线性增加,同时喷注锥角随载气流量增大则先减小后增大。综合粉末掺混、分散和发动机组织燃烧性能等多方面考虑,为提高模型冲压发动机理论燃烧性能,在后期点火试验中载气流量与粉末流量比可以初步设计在0.68附近。

超燃冲压发动机一维模型的GPU并行加速研究

发动机模型是控制计划优化、基于模型的控制和观测器设计等技术的基础,对控制系统的性能具有重要影响。然而,超燃冲压发动机一维模型由于依赖计算流体力学的网格计算,其计算量巨大,难以在机载控制器内实时运行。为解决这一问题,本文深入研究基于图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)的并行计算技术,探索了网格解耦与划分、串/并异构设计、内存优化、代码优化、编译指令优化、硬件模式优化等方法,综合设计了一个高效的中央处理器(Central Processing Unit,CPU)+GPU异构模型,并在基于虚拟路径交叉连接(Virtual Path Cross-Connect,VPX)总线的嵌入式控制器上进行验证。为充分验证所设计异构模型的有效性、高效性与实时性,本文依次开展基线测试、软硬件优化加速测试、并行计算测试,在测试中对比一维模型在CPU,单核GPU,多核GPU上的计算耗时与数据误差。最后根据数据、曲线、监控工具等方式,展示了所设计的异构模型在不损失模型精度的前提下,加速超过了6.7倍,运行时间均不超过25 ms,符合工程预期的实时性要求,具有良好的应用前景。

燃烧室前缘扩张角对旋转爆震冲压发动机的影响

针对圆柱形隔离段-燃烧室构型的旋转爆震冲压发动机,开展了总温为860 K、马赫数为2的来流条件下的直连式试验,探讨了燃烧室前缘扩张角(θ=30°,45°,60°,90°)对爆震波传播特性、工况范围及压力分布的影响。结果表明:当燃烧室前缘扩张角为90°时,燃烧模态均为爆燃燃烧;随着扩张角的减小,燃烧模态将会向锯齿波和混合模态(包含单波阶段)转换。当燃烧室前缘扩张角为30°时,旋转爆震的自持工况范围最宽且燃烧室压力最高;同时,随着燃烧室前缘扩张角减小,实现混合模态的当量比下限降低。此外,分析了燃烧模态对来流的影响,发现:锯齿波/混合模态燃烧室内存在的周期性高频压力扰动会使隔离段内的激波串位置前移;混合模态对超声速来流的影响最为显著。

后向台阶-楔体结构对含硼固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响

为增强含硼固体火箭超燃冲压发动机中空气与燃气掺混,提升火焰稳定性及燃烧效率,在一次燃气侧向进气基础上,补燃室前段增加后向台阶-楔体组合结构,采用数值模拟的方法分析一次燃气进气方式及楔体结构对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室内燃烧性能的影响。结果表明:当补燃室结构不变时,一次燃气进气位置到后向台阶的距离从0.5d变化到6d时,硼颗粒燃烧效率先增大后减小,在一次燃气进气位置距台阶为1.25d时,硼颗粒燃烧效率最大,为48%;当一次燃气进气角度在45o~170o内时,一次燃气进气角度越大,发动机燃烧效率越高,一次燃气进气角度为170o时总燃烧效率最大,为71.32%;在一次燃气进气方式不变时,取楔体高度与台阶高度之比分别为0.40、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、1.00,随着比值增大,总压恢复系数减小,硼颗粒燃烧效率先增大后减小,当楔体高度与台阶高度之比为0.60时,硼颗粒燃烧效率最大,为53.2%。

基于代理模型的超燃冲压发动机燃烧室构型参数优化设计

针对传统超燃冲压发动机燃烧室构型设计中存在的计算周期长、试验成本高等问题,提出一种燃烧室的Kriging代理模型,并使用NSGA-Ⅱ多目标优化算法以实现对超燃冲压发动机燃烧室构型参数高效的优化设计.通过测试,将应用Kriging代理模型的预测结果与CFD计算结果进行对比分析,验证了该代理模型能够较为快速并准确地预测代表燃烧室性能的推力和压力损失系数.以推力和压力损失系数为优化目标,基于NSGA-Ⅱ多目标优化算法,通过该Kriging代理模型获得了Pareto最优解集;然后,采用灵敏度分析法对设计变量进行排序,成功识别出了显著影响燃烧室性能的关键构型参数;最后,基于控制变量法针对单个设计变量的变化对超燃冲压发动机燃烧室性能的影响进行研究,分析结果可以指导燃烧室的优化设计.文章研究结果可加速超燃冲压发动机燃烧室构型的优化设计,为其设计提供了一种新的思路和方法,为后续的相关研究提供了有价值的参考和借鉴.

固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型对燃烧特性影响研究

为进一步提升固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能,明晰燃烧室设计参数对发动机燃烧模态及性能的影响和作用规律,利用数值模拟分析了燃烧室最小几何喉道和凹腔前缘与燃料喷注口距离对燃烧室流动与气固两相燃气燃烧特性的影响。研究表明:燃烧室最小几何喉道通过影响燃烧室内的阻塞程度,进而改变燃烧室内的热力喉道位置;随着凹腔前缘与燃料喷注口距离的增大,其产生的低速区对气流的阻塞作用更强,进而延长颗粒相燃料在燃烧室中的滞留时间,提升燃烧效率;颗粒相燃料的燃烧效率是决定燃料总燃烧效率的主要因素,从而影响燃烧室性能提升和燃烧模态的改变。

超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术发展现状

综述了超燃冲压发动机燃烧室光学测量技术的最新发展现状,归纳了三类测量方法:一维方法、二维方法和三维方法。一维方法可以测量燃烧室某个点或某条线平均的燃烧组分浓度以及温度信息,是研究燃烧化学反应特性的重要手段;二维方法可以实现燃烧室火焰结构或流场信息的面测量,是研究燃料与空气的掺混特性、火焰传播特性,以及火焰与湍流、旋涡、激波相互作用的重要手段;三维方法是对二维方法测量能力的重要拓展,他可以克服二维方法只能对流场一个平面进行测量或只能获得整个流场积分信息的缺陷,实现燃烧场的空间三维测量。指出了未来内窥技术是满足真实的燃烧室结构光学测试的重要途径,总结了当前超燃冲压发动机燃烧室光学测量工程应用的主要难题,展望了提升超燃冲压发动机燃烧室光学测量成熟度的方法。

硼基粉末燃料冲压发动机掺混燃烧特性研究

针对硼基粉末燃料冲压发动机超声速燃烧组织难题,建立气-固两相掺混燃烧方法,开展典型工况(26 km,Ma=6.0)的数值仿真研究,得到了发动机燃烧室内的流动燃烧特性,仿真分析了粉末燃料喷注速度、燃料颗粒粒径以及凹腔结构对燃烧室内气-固两相掺混燃烧情况的影响。结果表明:粉末燃料点火温度是影响燃料掺混燃烧效率的关键因素,当粉末喷注于气相燃烧高温区时,可显著提高燃烧效率;合理的喷注速度有利于增强颗粒与燃气和来流的掺混程度,使得颗粒燃烧更充分;当颗粒粒径从5μm提高至20μm时,射流穿透深度显著增加,粒径5μm时粉末燃烧效率最高,随着粒径增大颗粒点火的难度提高,不利于燃料充分燃烧释热;凹腔结构形成的回流区可以形成较好的点火区域,对于粉末燃料及富燃燃气和超声速来流的掺混起到较好的增益效果,有利于提高燃烧效率。

氢燃料双模态冲压发动机火焰结构及其稳定机制的LES研究

为深入理解双模态冲压发动机内流场结构和燃烧特性,本文采用精细的有限速率化学反应模型,对凹腔内氢气直喷式超声速燃烧室火焰进行了大涡模拟研究。发动机隔离段入口马赫数为2.0,滞止温度和压力分别为950 K和0.82 MPa。定性和定量的验证分析表明,计算结果良好符合试验所反映的物理规律,再现了两种典型的工作模态及其稳焰模式。当量比为0.1时,发动机处于超燃模态,为凹腔剪切层稳焰模式;当量比为0.3时,发动机处于亚燃模态,为凹腔辅助射流尾迹稳焰模式,分离涡的大尺度脉动及凹腔回流区的缺失致使火焰剧烈振荡。同时采用改进的火焰因子和过滤函数详细分析了局部火焰特征和流动模式,观察到了不同规律的局部熄火现象,并且剧烈的流动振荡对于局部火焰结构的稳定性有着不利影响。

MHD能量旁路超燃冲压发动机可行性分析

使用准一维模型对磁流体能量旁路超燃冲压发动机MPCE(Magneto-Plasma-Chem ical Engine)进行了性能计算.考察了理想和非理想的超燃冲压发动机应用磁流体MHD(magnetohydrodynam ics)能量旁路的效果,对于理想的超燃冲压发动机应用MHD反而会使发动机的性能降低;对于非理想的超燃冲压发动机,MHD的作用使发动机的比冲增加.考虑发动机工作的工程限制条件对超燃冲压发动机和MPCE的性能进行了比较,结果表明应用MHD可以扩大超燃冲压发动机的工作范围,在非设计马赫数下提高发动机的性能.计算了负载系数、通道压力系数等重要的设计参数对MPCE性能的影响,结果显示优化参数设置可以使发动机比冲增加,但是同时又会受到工程条件的限制.

多模态冲压发动机提高性能的技术途径

为了使高超声速冲压发动机在宽飞行条件下同时具有高比冲、高推力系数、高推重比 ,在讨论多模态冲压发动机的不同工作模态特性基础上 ,提出了改进进气道 燃烧室 尾喷管参数协调状态的技术途径。在固定几何的条件下 ,采用一体化设计内流通道 ,并巧妙地调节加热规律 ,使得在不同飞行条件下采用不同的优化工作模态 ,从而防止进气道出现亚声速溢流或过度超临界 ,防止尾喷管产生膨胀过度或不足 ,防止燃烧室内的过度高温高压 ,并使冲量增量最大。此外 ,就国内外在研制过程中曾出现过许多经验教训及应引起关注的技术创新点进行了讨论。