M3条件下乙烯燃料超燃冲压发动机空气节流点火试验

在隔离段入口Ma=3（模拟飞行马赫数6．5）条件下，采用乙烯燃料的超燃冲压发动机点火十分困难。为解决该难题，采用了空气节流作为辅助点火措施。基于脉冲燃烧风洞直连式试验平台进行了空气节流点火试验，通过壁面压力测量，获得了节流点火的火焰发展历程。以点火时间为指标，对节流流量、乙烯当量比、节流时间等参数进行了定量分析，节流流量的调节范围为0％～45％，乙烯当量比调节范围为0．6～1．2，节流时间调节范围为190～350ms。分析了三个节流参数各自的作用机理，通过数据拟合，绘制了节流流量与点火时间、乙烯当量比与点火时间的关系曲线，揭示了节流时间与点火时间的关系。

高超声速流动的气体吹除控制方法研究

为了在超燃冲压发动机直连式试验台上得到真实的非均匀试验气流,采用商业软件Fluent对高超声速流动的气体吹除控制进行了数值研究。在试验台喷管和发动机隔离段之间增加了吹除控制段,试验了4种吹除方案。常温空气从位于控制段顶部、侧部和底部的吹除口注入,吹除口包括长槽、短槽和圆孔等,吹除气体的流量为来流流量的8.3%~13.3%。以超燃冲压发动机自由射流计算结果为基准,比较分析了控制段出口截面马赫数分布。结果表明,"顶槽"方案能够得到较为理想的吹除效果,吹除参数优化后可为试验提供指导。

不锈钢叶轮五轴联动数控加工中仿真技术应用研究

分析了五轴联动数控中心加工不锈钢叶轮的技术难点,并运用仿真技术加以解决。提出了仿真方法和仿真流程,并基于VERICUT仿真平台,以某型号叶轮的加工过程为例,实际进行了仿真。仿真结果显示加工刀具、加工参数对叶轮质量有重要影响。分析了仿真出现的问题,通过改变刀具、优化加工方案,最终完成了加工。实践证明,仿真技术有利于提高不锈钢叶轮的加工成功率,改进加工质量。

基于VERICUT的水轮机叶片五轴联动数控加工仿真技术研究

针对五轴联动数控加工水轮机叶片存在的技术难点,采用仿真技术加以解决。首先说明了仿真技术的发展历史和功能特点,然后介绍了VERICUT软件的结构和用途。根据黑箱控制原理,创造性地提出了仿真函数概念,并根据加工使用的数控系统条件,给出了仿真函数的求解流程以及软件的操作方法。最后以某型号水轮机叶片的加工过程为例,实际进行了仿真,通过对仿真结果的分析,说明了仿真过程中容易遇到的问题及其解决方法。

脉冲风洞发动机试验多油位多时序高精度燃料供应系统

针对脉冲风洞超燃冲压发动机试验要求燃料供应快速、稳定、精确的特点,设计了一套燃料供应系统,可多油位多时序高精度地实现试验模型燃料供应、模型点火器气源供应、气体节流气源供应等功能。该系统供应的燃料为乙烯、甲烷、氢气及其混合物。采用压力补偿装置,保持燃料稳定供应,实现燃料当量比精确控制。设计了由电磁阀和气动阀组合而成的快速供气阀门,阀门开启时间小于20ms,关闭时间小于30ms,实现燃料的安全、快速供应。对超燃发动机模型不同油位设计了专门的供油回路,通过电磁阀控制系统,实现多个油位不同时序的控制动作,时序控制精度达到1ms。给出了详细的系统设计回路,并对关键部件参数进行了计算。点火试验表明该系统可以为点火器提供稳定的空气和氢气,点火器正常时间超过500ms。在脉冲式直连式试验台上,进行了乙烯燃料超燃发动机试验,对该套供油系统进行了测试。试验监控了供油管道及模型壁面的压力分布,供油压力在试验时间内波动小于3%,发动机壁面压力显示燃烧性能良好。空气节流试验表明,该系统提供的时长为100ms、压力为4.7MPa的节流空气成功点燃了乙烯。

空气节流对乙烯燃料超燃冲压发动机流场结构影响研究

空气节流可以有效地实现超燃冲压发动机燃烧室燃料的稳定燃烧,采用非定常数值模拟和地面试验研究了空气节流作用下乙烯燃料超燃冲压发动机的流场特性。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K,静压0.1MPa,845mm处节流条件下,冷流流场达到稳定所需时间较短,约为2ms;在空气节流开始后的6ms注入燃料实现发动机的起动点火是合适的;28ms后燃烧流场稳定,流场呈现短周期的小幅振荡,周期约为0.86ms,振荡对流场的影响很小;壁面压力数据的数值模拟结果与试验结果匹配良好,数值模拟更加全面地给出了流场结构信息。

超燃冲压发动机燃烧室空气节流技术研究

为考察空气节流对超燃冲压发动机燃烧室的影响,非定常数值模拟和地面实验相结合证实了空气节流可以实现超燃燃烧室燃料稳定燃烧,研究了节流位置、节流流量、节流撤去时间对节流效果的影响。结果表明:在燃烧室入口马赫数2,静温548.8K,静压101555.9Pa条件下,745mm处节流时,激波串稳定时间较短,稳焰失败;875mm处节流时,火焰稳定成功。随着节流流量和节流撤去时间的增加,燃烧越来越剧烈,壁面压力逐渐升高,可能影响进气道的起动,对于本文来流条件,30%入口空气流量作为节流流量是合适的,440ms以前撤去空气节流是恰当的。

Ma4下超燃发动机乙烯点火及火焰传播过程试验研究

在直连式脉冲燃烧设备上,开展了模拟Ma4,总温935K来流参数下的超燃发动机乙烯点火试验。试验利用了火炬点火器和引导氢气的辅助点火方式,实现了乙烯的点火和稳定燃烧。结合壁面压力测量、高速摄影和数值模拟方法,分析点火及火焰传播过程发现:(1)在现有的注油方式下,回流区有利于点火,剪切层和凹槽后部是稳焰的主要区域;(2)点火成功后,影响凹槽稳焰的主要因素为燃料与氧化剂的浓度,剪切层内和凹槽后部持续卷吸氧化剂,因而能够维持稳定的燃烧;(3)凹槽下游注入的燃料发生燃烧造成流道一定程度壅塞,是提升燃烧室压力水平的重要原因,但该处的燃烧不能够稳定,引起燃烧室内压力的振荡,而导致该处不稳定燃烧的2个主要因素为变化的氧含量和较高的流速。

马赫数4下氢气自燃辅助乙烯点火实验研究

为了研究氢气自燃辅助乙烯点火的具体点火参数和点火性能，在直连式脉冲燃烧风洞设备上进行了模拟飞行马赫数4条件下的超燃发动机乙烯点火试验，试验来流的总温935K，总压0．8MPa．隔离段入口马赫数2．1。试验利用不同质量流量的引导氢气自燃辅助点火，成功实现了乙烯燃料的点火和稳定燃烧。通过流场显示和壁面压力测量发现：（1）能够成功点火的引导氢气流量范围为0．43～12．61g／s，相当于当量比0．005～0．142；（2）0．43g／s流量氢气注入燃烧室后10ms以内被点燃，乙烯燃料注入后经过了约20ms才被点燃，点火的主要位置为凹槽内；（3）6．68g／s的氢气注入燃烧室后20ms才被点燃，乙烯燃料注入后约8ms即被点燃，点火的主要位置为凹槽下游和凹槽出口位置；（4）点火试验中火焰能够在凹槽内和剪切层内向上游逆传；（5）凹槽下游和下壁面的燃烧，是促进凹槽内燃烧、提升燃烧室压力和引起燃烧室压力震荡的主要原因。

矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征

为研究乙烯燃料矩形截面超燃冲压发动机不同燃烧模态下的流动特性,在直连式试验的基础上对冷流和不同当量比的4个状态进行了三维定常数值模拟,比较了试验和计算结果,选择了适用于本构型的模态判别准则,给出了流道内壁面压力、一维平均马赫数的沿程分布规律,分析了各状态下流场中波系结构、流动分离及燃烧的特征。研究结果表明:采用AHL3D对该发动机进行三维计算所得壁面压力与试验壁压吻合良好,试验与计算具有较好的一致性;未注油的冷态情况下流道内形成由多道斜激波与膨胀波组成的反射波系,壁面压力波动较大,波系分布主要受流道结构影响;纯超燃模态时,燃料喷射与主流相互作用使注油位处形成明显激波,压升起点固定在注油位之后,注油位波系对流场结构的影响较大,同时分离结构分布在整个凹槽内;双模态超燃时,流道内主导波系是激波诱导边界层分离形成的斜激波串结构,燃烧室内波系较弱,此时隔离段内激波串前缘后的角区出现分离,凹槽内分离区域减小;双模态亚燃时,随着逆压梯度激波串的前移,隔离段内角区的分离面积不断扩大,凹槽内分离区进一步缩小。发动机处于双模态超燃或双模态亚燃模态时,随着激波串结构的形成与前移,部分燃烧可能在隔离段内完成;而对于纯超燃模态,燃烧仅发生在凹槽与扩张段内,化学反应与高温区的分布相对更集中。

PowerCube模块化机器人工作空间计算

以PowerCube模块化机器人为对象,采用D-H法建立机器人运动学数学模型.在比较现有的机器人工作空间求解方法的基础上,分别利用解析法和数值法绘制和计算出机器人的工作空间.将2个图形进行对比,结果表明2种方法所得的结果是一致的.

基于发散光反射式布局的大视场显示方法研究

更大尺度风洞和试验模型以及更长射流的流场测量,对流场显示的视场尺度提出了更高要求。设计和验证两种基于发散光反射式布局的大视场显示方法,分别为反射式聚焦纹影方法和反射式阴影方法。通过改进源格栅和光源,在实验室搭建了一套反射式聚焦纹影显示装置,获得了直径约1.5 m的视场结果。视场均匀性和试验条件下的最短曝光时间表明该方法可用于大型风洞及其他场合的大视场显示。同时,为解决试验现场振动较强的测量问题,搭建了发散光反射式阴影显示装置,获得了约2.5 m长度的燃烧射流流场显示结果。最后根据发散光反射式流场显示方法的特点,开展了其在大型风洞布局的适用性评估,结果表明:该方法完全适用于大型风洞的大视场显示。

基于静动态特性高超声速总压测量耙的结构优化

为了满足高超声速风洞流场校测总压测量耙的技术要求,针对目前采用测量耙存在的刚度不足问题,基于其静动态特性进行了结构优化设计。首先采用有限元法对原测量耙进行静动态特性分析,静力学与模态分析结果表明总压管为影响测量耙刚度的关键环节。然后以总压管的长径比、外径、内外径比和测头偏转角共四个结构参数为试验因素,以测量耙的最大应力、变形和一阶固有频率为试验指标,进行数值仿真正交试验。极差分析结果表明:各因素对指标的影响程度不一致,影响最大的是外径,其次是测头偏转角,内外径比和长径比的影响较小;最佳结构参数组合为:长径比24,外径6mm,内外径比0.4,测头偏转角30°。最后对优化前后的测量耙进行对比验证分析,结果表明优化后测量耙的综合性能明显提高,其刚度满足了技术要求,相对于原测量耙,其最大变形下降了28.23%,最大应力和一阶固有频率分别提高了28.55%和2.36%。

超燃冲压发动机直连式试验非均匀吹除装置研究

为了能在直连式试验平台上获得矩形截面超燃冲压发动机的真实隔离段入口来流,在风洞喷管和隔离段之间添加吹除装置,装置的上下壁面开缝并向缝中注入空气,使均匀来流变成非均匀来流。以模拟飞行马赫数6.0条件的隔离段入口流场为目标,使用商用软件Fluent对吹除装置进行数值模拟。研究吹除缝的位置、缝的宽度及吹除装置长度对吹除结果的影响,并确定合适的吹除装置几何尺寸。结果表明,该吹除装置能够模拟隔离段入口的非均匀来流,吹除装置出口截面的质量平均马赫数与自由射流条件下的偏差不超过0.02 (约0.8%),总压偏差不超过0.03MPa (约2.1%)。

飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析

为提升针对高马赫数发动机的模拟能力,对计算方法进行了可压缩性修正,并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟,分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征.研究结果表明:(1)修正后的方法计算所得激波位置及强度与试验值吻合,在激波串模拟、高马赫数发动机模拟上均展现了更优的能力.(2)发动机内形成激波与反射波系,燃烧并未改变波系贯穿流道的基本结构,且随着当量比增加,激波角增大,反射激波数量增多,激波交汇带来的温升与压升有利于燃烧释热,且随着反射激波沿流向减弱,激波导致的壁面热流升高现象逐渐减弱.(3)流场中绝大部分区域为非预混燃烧.燃烧室后段平均静温超过2500 K,完全产物H_(2)O减少,H_(2)与O_(2)燃烧效果变差,发动机可利用的有效释热在燃烧室前段增加,在后段减少.O原子复合主要发生在喷管中.(4)当量比0.5时,化学反应主要发生在燃烧室前部;当量比1.0时,反应距离更长.当量比0.5与1.0下燃烧室阻力差异较小,总推力系数提升主要由尾喷管贡献.燃烧会导致燃烧室摩阻及整机总摩阻减小,进气道与尾喷管摩阻变化较小.

喷注方案对圆形超燃冲压发动机性能的影响研究

在飞行马赫数Ma=6,总当量比为1.0条件下,采用三维数值模拟研究了不同喷注位置煤油当量比分布对双凹腔圆形发动机推力性能和壁面热流的影响。喷注位置包括支板壁面喷注K1,隔离段出口壁面喷注K2,第一凹腔尾缘壁面喷注K3以及第一扩张段壁面喷注K4。结果表明,K1注油当量比大小直接影响燃烧室内的燃烧模态和流道中心燃烧。为了保证发动机推力性能,K1注油须达到一定量,促使流道燃烧处于亚燃模态,且流道内具有较强的中心燃烧。为优化发动机壁面热流环境,剩余燃料需要在K2,K3和K4分散注入。K2和K3注油当量比大小同时影响第一凹腔燃烧性能,其中K2注油当量比降低,推力性能下降,但壁面热流性能提高,而适当增加K3喷注煤油,有利于提高推力性能。增加K4注油,第二凹腔及其之后流道区域燃烧增强,发动机推力性能和热流性能均提高。通过分析各注油位不同当量比分布对发动机力热性能的影响规律,最终获得了力热性能较优的注油当量比分配方案,此时K1~K4注油当量比大小依次为0.6,0.1,0.1,0.2。

空气/煤油火炬点火器设计及试验

为解决超燃冲压发动机点火难题,设计了一种以空气和煤油作为氧化剂和燃料的火炬点火器。点火器能量设计为300kW,空气和煤油的设计流量分别为98.9g/s和6.7g/s。采用软件CHEMKIN 4.0对不同当量比条件下点火器出口气流参数进行了计算,将点火器的工作状态优选为富氧模式。煤油从点火器端面经旋流喷嘴注入,空气分为一次喷注和二次喷注两个支路,采用普通汽车火花塞点燃空气煤油混合物。建立了试验系统,压力测量和摄影图像表明该点火器能够在当量比在0.3~1.3范围内可靠工作。点火器的起动时间约为0.9s,火焰长度约为30cm,存在高频率小幅值脉动燃烧现象。试验表明该点火器能够可靠点燃超燃冲压发动机。

注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响

基于脉冲燃烧风洞直连式试验平台,利用壁面压力测量和高速摄影等手段,研究了注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响.考察了不同油位单点注油时的注油特性,利用高速摄影揭示了各个油位的火焰发展历程.在产生有效推力及防止进气道不起动的限制下,确定了各个油位的贫油最低当量比、富油最高当量比.研究了第1油位、第2油位和其他油位组合注油时的耦合作用.以隔离段未扰动区域长度、燃烧室内推力、燃料比冲为指标,探寻了燃烧性能最佳的注油方式.试验获得的隔离段未扰动区域长度最大为149.6mm,燃烧室内推力最大为1 622.3N,燃料比冲最大为1 354.0s.

空气节流对超燃发动机燃烧性能的影响

为优化隔离段及燃烧室内的流场结构,减小流动速度,提高流道压力,在凹槽稳焰器下游布置空气节流装置,向燃烧室内喷入高压空气,目的是在隔离段建立合适的激波串,以利于点火和火焰稳定.采用CFD方法,对比了无/有空气节流时的冷流流场、燃烧流场,结果表明:节流激波串扩大了低动量区域,激波引起的流动扭曲和较长的驻留时间使得分离流内的空气/燃料混合程度得到显著增强,混合效率由无节流时的40%提高到85%,燃烧效率由无节流时的10%提高到60%.对节流位置和节流量进行了参数化研究,以隔离段入口为坐标原点,分别考察了785,1 000,1 100mm三个流向节流位置,以及10%,15%,30%三种节流量的影响,结果表明:距离凹槽较近的节流位置对燃烧的影响更为显著,所需节流量更少.30%的节流量将使燃烧室背压急剧提高,引起流动壅塞.研究表明在785mm的流向节流位置采用15%的节流量可获得最好的燃烧性能.

超燃发动机混合效率评估方法探讨

总结和分析了3种常用的典型混合效率评估方法,为了提高对混合程度的评估精度和客观性,提出了3种新的混合程度评估方法和指标:流场混合效率,可燃混合效率和适燃区域比例.流场混合效率能够客观评估流场结构的混合性能和增混措施的效果;可燃混合效率和适燃区域比例,结合了流场中的熄火边界参数,能够将燃料的分布及混合程度直接与点火燃烧联系,能够客观评估不同程度的贫油和富油流场的混合程度,能够合理地预测燃烧可能发生的区域.最后通过二维算例比较了新旧方法的评估结果,验证了新评估方法的合理性.