超燃冲压发动机隔离段流动特性研究

隔离段是双模态超燃冲压发动机实现双模态和模态转换的一个重要部件,同时它把进气道和燃烧室隔离开,以防止燃烧室工作对进气道干扰,引起进气道不启动。由于隔离段内流场的复杂性及其广泛的工程应用前景,隔离段内的流动特性引起了人们广泛的关注。本文利用计算流体力学软件Fluent,采用k-ε湍流模型,近壁面采用非平衡壁面函数方法处理,控制方程的离散采用二阶迎风格式,对隔离段的流场进行了数值模拟,并分析了出口反压、来流马赫数等参数对隔离段内流场的影响。

超音速燃烧室凹槽流动特性研究

对超音速燃烧室内各种构型的凹槽流场进行了数值模拟,研究了凹槽的后壁面斜角、凹槽长高比及凹槽前后壁面高度比等参数对凹槽流场的影响,计算了各种构型凹槽的阻力、停留时间等。研究结果对定量认识凹槽流场、优化凹槽构型、设计高效率的火焰稳定器具有一定借鉴作用。

凹槽在超声速燃烧室中的作用研究

文章采用有限体积法,求解包含组分方程的雷诺平均N-S方程,对采用乙烯燃料的超声速燃烧室流场进行了数值模拟研究。研究表明:在超声速燃烧室中采用凹槽,既可以增强燃料与来流的混合效果,提高燃烧效率,又可以实现燃烧室的可靠点火与火焰稳定。研究结果对定量认识采用凹槽火焰稳定器的超声速燃烧流场、设计高效率的火焰稳定器具有一定的借鉴作用。

扩张角对隔离段抗反压能力影响的数值模拟研究

这里利用计算流体力学软件Fluent,采用K-ε湍流模型,近壁面采用非平衡壁面函数方法处理,控制方程的离散采用二阶迎风格式,对隔离段的流场进行了数值模拟,并分析了扩张角对隔离段抗反压能力的影响。

纯净空气来流的超音速燃烧室试验与数值模拟研究

超音速燃烧室试验设备需要加热空气达到所模拟的飞行状态的总焓,采用电阻加热器可以提供纯净的来流空气。西北工业大学建立了采用连续式电阻加热器的超音速燃烧室直连式试验平台。设备的初步调试结果显示:该电阻加热器最高可将流量0.73 kg/s的来流空气加热至1000 K,可以利用该平台进行低飞行马赫数的超音速燃烧室试验研究。本文利用该试验平台进行了超音速来流条件下的氢气燃烧试验研究,并在此基础上开展了氢气燃烧的数值模拟研究,数值模拟结果和试验结果吻合较好。

超声速燃烧室凹槽动态特性试验研究

为研究超声速燃烧室中凹槽火焰稳定器的流动特性,对来流马赫数2.0条件下各种构型的凹槽流场进行了试验研究。得到了不同几何构型凹槽流场的纹影结果,采用动态压力传感器研究了凹槽流场的频谱特性,计算了凹槽流场自激振荡压力的均方根,并将试验结果和Rossiter经验公式预测结果进行了对比。

弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。

超燃冲压发动机隔离段流场数值模拟

隔离段是双模态超燃冲压发动机实现双模态和模态转换的一个重要部件,同时,它把进气道和燃烧室隔离开,以防止燃烧室工作对进气道干扰,引起进气道不启动。由于隔离段内气体流动的复杂性及其广泛的工程应用前景,隔离段内的流动特性引起了人们的广泛关注。本文使用隐式TVD格式,采用雷诺应力湍流模型,近壁面采用非平衡壁面函数方法处理,控制方程的离散采用二阶迎风格式,对隔离段内的流场进行了数值模拟,并分析了出口反压、来流马赫数对隔离段内流场的影响。

超声速凹槽大涡数值模拟研究

在超声速燃烧室内常采用凹槽增强燃料与空气的混合,实现火焰稳定,本文采用大涡模拟方法对开式凹槽流场进行了数值模拟研究,计算采用Smagorinsky亚网格模型模拟小尺度涡的作用。数值模拟结果给出了凹槽流动的自激振荡的发展过程,以及凹槽流动中拟序结构的演变过程,如涡的卷起、增长,涡与涡之间的合并、破碎等,计算得到的凹槽波动的峰值频率和理论结果一致。

进气道外罩长度对隔离段性能的影响数值模拟

文中采用TVD二阶迎风格式,k-ωSST双方程湍流模型,对二元混压式高超声速进气道/隔离段粘性流场进行了数值模拟,并分析了出口反压及不同进气道外罩长度对隔离段流场和性能的影响,结果表明隔离段进口的进气畸变越小,隔离段容纳反压的能力越大。

双旋流燃烧室主燃区流动特性PIV测量和分析

针对采用斜切径向双级旋流器的环形燃烧室单头部矩形模型,利用非接触式测量方法粒子成像测速仪(PIV)测量了主燃区的300K冷态速度场。采用Realizableκ-?湍流模型和稳态层流火焰面燃烧模型对燃烧室的冷流和燃烧流场进行数值模拟,得到燃烧室流场的速度分布和流场结构,并与试验测量数据进行对比验证。结果表明:瞬态流场结构变化剧烈,旋流和主燃射流的边界形成大量小尺度漩涡结构,回流区具有强烈的搅拌作用,回流区下游滞止点位置是随机变化的;反向旋流器比同向旋流器产生的回流区尺寸更小,燃烧状态的回流区尺寸比冷流的小,但主要受火焰筒壁面和主燃射流的约束;外旋流在距离头部5mm距离内控制内旋流,保持旋向相同;燃烧增大主燃射流穿透深度,改变流场的对称性。

高超声速锥导乘波体非设计点性能研究

对设计马赫数6的锥导乘波体在马赫数4~7、迎角-6°^+6°的三维流场进行了数值模拟。研究表明:粘性对阻力系数的影响较大;非设计马赫数时,锥导乘波体的升阻比没有明显减小;升力系数与迎角呈线性关系,随着迎角增大而增大;升阻比在+2°迎角下达到最大。

超燃冲压发动机燃烧室亚/超燃模态数值研究

采用Mac Cormack格式、B-L湍流模型及氢/空气两步化学反应模型,计算了双模态冲压发动机燃烧室在不同来流条件和供油规律下的二维燃烧流场。计算结果表明,在相同来流条件下,供油规律对燃烧室的工作模态有着重大影响;在不同来流条件下,可通过调节供油规律,使燃烧室分别实现亚燃模态和超燃模态。

超燃冲压发动机燃烧室直连式实验研究

文中在超燃冲压发动机燃烧室直连式实验设备上,对超音速燃烧室模型进行(Ma=2.0)冷流实验研究,比较了不同的来流条件、不同的隔离段长高比和不同的燃烧室出口反压对燃烧室内部流场以及燃烧室隔离段的抗扰动能力的影响,并利用数值模拟的方法对燃烧室内部流场进行了模拟。研究结果表明:隔离段长高比增大,其容纳反压的能力相对增强;燃烧室出口堵塞导致的流场畸变越小,对燃烧室流场压力分布的影响越小。

超燃冲压发动机燃烧室液体射流雾化数值模拟

为了研究超燃冲压发动机燃烧室中液体射流喷射压力、燃烧室进口总温以及液体物性对射流雾化特性的影响,使用计算流体力学软件对超声速燃烧室中的液体雾化两相流场进行了数值模拟。计算采用欧拉-拉格朗日方法,RNGk-ε湍流模型,波致破碎模型。计算结果表明,喷射压力增大,液体射流的穿透深度增加;燃烧室进口总温升高,液体射流的穿透深度减少;表面张力对雾化粒径的影响比动力粘度的影响显著,液体表面张力越大,雾化形成的液滴粒径越大。

超燃冲压发动机煤油燃烧加热器设计中的流场计算

采用FLUENT软件模拟加热器掺混段三维流场,检验所设计的加热器出口流场是否达到预定的设计要求,计算结果表明加热器出口流场满足设计要求。

超声速燃烧室冷态流场数值模拟研究

超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器理想的动力装置。在进口马赫数2.0、进口总温285K的条件下,对超声速燃烧室的二维冷态流场进行了数值模拟。分析了超声速燃烧室内激波与边界层作用引起的复杂的流场结构;数值模拟获得的激波链结构与实验纹影图吻合较好,所计算的壁面压力分布与实验结果较为一致。相同的反压条件下,随进口马赫数的增大,超音速燃烧室内激波链长度减小。

采用不同建表方法的火焰面模型在燃烧室中的应用研究(英文)

为加深对航空发动机燃烧室中湍流燃烧过程的理解,采用不同建表方法的火焰面模型对航空发动机模型燃烧室内的湍流燃烧过程进行数值模拟,包括层流火焰面数据库的构建和反应进度变量的PDF类型两个方面。其中,层流火焰面数据库的构造方法包括基于扩散火焰的FPV和基于预混火焰的FGM模型,反应进度变量的PDF类型包括δ和β分布。LISA和KHRT模型分别用于模拟液膜和液滴的破碎过程,非平衡Langmuir-Knudsen模型用于模拟液滴的蒸发过程。LISA模型得到的液膜破碎距离约为4.6mm,液滴直径在文氏管出口下游迅速减小到10μm左右,并在头部出口下游附近完全蒸发。通过与相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测量温度的对比,验证了FPV和FGM模型的精度,并表明在流动变化较大的位置FPV模型具有更高的精度,而其他位置FGM模型具有更高的精度,采用β分布作为反应进度变量PDF的模型,可以有效提高温度的预测进度,而且主燃区内的误差基本都在5%以内。此外采用β分布作为反应进度变量PDF的FGM模型,可以更好地描述未燃混合物被回流燃气点火的过程,而且反应进度变量的PDF类型比层流火焰面数据库构建方法的影响更为显著。

采用FGM方法模拟钝体稳定火焰中NO_x的生成

为研究燃烧过程中NO预测精度的影响因素,采用火焰面生成流形(FGM)方法对Sydney大学CH_4/H_2钝体稳定火焰HM1中NO生成的预测模型进行研究。分别采用GRI 2.11和GRI 3.0甲烷反应机理构建了绝热和非绝热FGM查询表,辐射模型采用光学薄模型(OTM)。NO的预测是通过独立求解NO质量分数的输运方程实现,其反应速率由FGM查询表查表得到,包括两种处理方式:一种是直接采用FGM查询表中的反应速率;另一种是采用输运方程求解的NO质量分数替换逆反应速率中的NO质量分数。此外还研究了扩展反应进度变量对NO的预测精度的影响。对于流动和主要的热力化学参数,非绝热FGM方法和GRI 3.0可获得更高的精度;求解NO质量分数输运方程可有效提高NO的预测精度,而且第二种NO反应速率的处理方式得到的NO质量分数与试验吻合最好;考虑辐射提高了NO预测精度,并且采用GRI 3.0得到的NO预测结果与试验吻合最好;扩展反应进度变量对由FGM查询表和第一种NO反应速率处理方式得到的NO预测精度在加权因子达到1000时有较大的提升,而对第二种NO反应速率处理方式的结果没有明显的影响。非绝热FGM方法结合第二种NO反应速率处理方式求解NO质量分数的输运方程可以实现高精度的NO预测,此外化学反应机理对NO的预测精度有着非常重要的影响。

基于化学反应器网络模型法的预混气组分对NO_(x)反应路径影响研究

为探究预混气组分对不同反应路径下NO_(x)生成影响,针对高压射流反应器,基于CFD流场特征,构建优化了单PSR (Perfectly-stirred reactor),2PSR,3PSR以及PSR+PFR (Plug flow reactor)四种CRN (Chemical reactor network)模型。在贫预混燃烧条件下,研究了纯CH_(4)及其混合气燃烧时不同反应路径下NO_(x)的生成情况,得出了燃烧室内不同反应区域每条反应路径NO_(x)的生成量。结果表明,纯CH_(4)燃烧产生的NO_(x)主要来自于热力型、快速型和N_(2)O-中间体型三条反应路径。绝热火焰温度的提高主要促进了热力型和N_(2)O-中间体型NO_(x)的生成。随着CH_(4)或CO中加入的H_(2)摩尔分数的增加,NO_(x)排放总量降低,快速型NO_(x)生成速率降低,特别是火焰刷区。另外,混合气中CO摩尔分数的增加会导致NO_(x)生成量增多。