一体化凹腔支板稳定器贫油熄火性能初步试验

在来流温度773~1 073K、来流马赫数0.20~0.32及常压条件下,试验研究了来流温度及马赫数对一体化凹腔支板稳定器(ICBSF)贫油熄火(LBO)性能的影响。结果表明:由于凹腔结构有利于燃油的蒸发与雾化,一体化凹腔支板稳定器的贫油熄火油气比为0.001 3~0.002 7,具有较宽的贫油熄火边界;与传统钝体火焰器类似,一体化支板稳定器的贫熄油气比随着来流马赫数的增加而增大,随着来流温度的升高而减小。此外,当来流温度显著增高时,来流马赫数对一体化支板稳定器贫油熄火油气比的影响变弱;同样,当来流马赫数显著增高时,来流温度的影响也变弱。

支板凹腔一体化超燃冲压发动机实验研究

本文针对以凹腔支板一体化燃烧室为基本结构的超燃冲压模型发动机在自由射流风洞中的性能,主要研究了燃料在不同位置喷入时,燃烧室几何结构/气动性能/燃料混合及燃烧特性的相互耦合,以及对发动机推力性能的影响．结果表明支板与凹腔的一体化在合理配置燃料分布情况下可以获得较好的发动机性能．

碳氢燃料超燃冲压发动机支板凹腔一体化稳焰性能研究

为了提高超燃冲压发动机中支板／凹腔组合构型燃烧效率，通过数值仿真对采用支板／凹腔四种组合构型的燃烧室流场进行了研究，重点分析了不同组合构型对煤油燃烧性能以及凹腔质量交换特性的影响。结果表明：带后缘支板不仅能够提高主流与凹腔的质量交换律，并且能够扩大支板后部低速回流区及燃烧区域面积，从而使煤油燃烧效率提高2，8％-5．8％；采用双凹腔构型与采用单凹腔构型相比虽然不能提高单个凹腔与主流的质量交换律，但是增大了燃烧室低速回流区及燃烧区域面积，从而使煤油燃烧效率提高了4．5％～8．8％；在相同来流工况下，不同支板／凹腔组合构型燃烧室的总压恢复系数相近，随着来流马赫数增大总压恢复系数随之下降。

整流支板和火焰稳定器的一体化设计加力燃烧室性能的数值模拟

针对高推重比、高隐身航空发动机的技术需求,提出了1种带气膜冷却的加力内锥、整流支板和火焰稳定器的加力燃烧室一体化设计方法,对一体化加力燃烧室的温升、壁温分布、总压恢复系数、CO排放和燃烧效率分别进行了计算。结果表明:该方法在保证加力燃烧室燃烧性能不变的前提下,能将现有的加力燃烧室长度缩短1/5,并使加力内锥壁温降低33.3%。为实现高推重比、高隐身动力技术提供了新的思路和研究方向。

燃油喷射方式对凹腔支板稳定器火焰传播性能的影响

火焰稳定器的火焰传播性能对燃烧效率与燃烧室长度预测非常重要。在实验验证的基础上,采用三维数值模拟的方法,基于凹腔支板稳定器下游的温度分布及离子浓度分布规律,研究了燃油喷射位置、喷射角度及油气比对凹腔支板稳定器火焰传播性能的影响。研究表明,在来流温度900℃、马赫数0.2、值班油气比4×10-3及主流油气比2.8×10-3~6.8×10-3条件下,支板稳定器下游离子浓度分布趋势与温度分布趋势几乎相同,可同时用来预测火焰传播性能;值班供油位置越靠近稳定器前缘越有利于增强火焰传播性能;当主流油气比为2.8×10-3时,主流喷油位置更靠近稳定器前缘或者采用侧喷方式更有利于火焰传播;随着主流油气比增大至5×10-3~6.8×10-3,主流喷油位置远离稳定器前缘及顺喷方式拥有更加良好的火焰传播性能;喷射角度相同时,喷油位置显著影响油气比对火焰传播性能的影响;喷油位置相同时,改变燃油喷射角度,油气比对火焰传播性能的影响相对较小。

乙烯超燃燃烧室支板/多凹腔一体化组合数值分析

为探索多凹腔与交错尾部支板组合时对燃烧室性能的影响,运用有限体积法对乙烯喷注当量比0.6的燃烧室进行了数值模拟。通过对比不同长深比的凹腔串、并联对混合效率、燃烧效率、总压损失的影响,发现并联凹腔能通过更早的实现燃料与主流充分掺混从而提供更大的燃烧区;长深比为3.5的凹腔串、并联对提高燃烧效率效果不明显,长深比为8的凹腔串、并联能显著提高混合效率和燃烧效率,其中长深比为8的凹腔并联燃烧室性能较好。

凹腔支板火焰稳定器冷态流场对点火特性影响规律的数值模拟分析

采用数值模拟方法,针对一种用于加力燃烧室中的一体化凹腔支板火焰稳定器的冷态流场进行研究。将冷态数值模拟结果与相应进气条件下的凹腔支板火焰稳定器点火实验结果进行对比,得到影响点火成功的关键参数及其影响规律。研究发现,点火成功率随着火焰稳定器内部空腔中的冷却空气进口压力及来流马赫数的减小而提高,该火焰稳定器能成功点火的冷却空气进口总压为0.03 MPa。点火成功后,可适当提高冷却空气进口压力至一定值,以改善雾化,提高燃烧效率,同时也能保证火焰不被吹熄。

乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合的数值研究

以超音速燃烧冲压发动机设计为背景,采用有限体积法,以乙烯为燃料对交错尾部支板和开式凹腔的组合方式及位置进行数值研究。通过组合方式的研究发现,横向组合的凹腔内回流区卷吸作用强于纵向组合;凹腔远离交错尾部支板能促进燃烧火焰扩散,燃烧效率更高,总压损失更小。通过对组合位置的研究,总结出组合位置对燃烧室性能的影响规律,发现凹腔与支板横向组合,凹腔距支板尾缘距离为0.15 m时,总压恢复系数达到最大,燃烧效率也较高。该项研究可为超燃燃烧室设计提供参考。

纯净空气来流下支板凹腔耦合超燃燃烧室性能研究

在纯净空气来流下,通过试验对以支板凹腔耦合方式来稳焰的超燃燃烧室进行了研究,以液态航空煤油为燃料,喷射分为支板单独喷射和支板壁面组合喷射。结果表明:支板单独喷射,轴向位置靠前或者燃油当量比增加0.1,壁面压力分布总体越高,壁面压力峰值也更高;燃油当量比相同的情况下,支板单独喷射的壁面压力分布要比支板和壁面组合喷射的总体偏高,但壁面压力提升的起始位置更靠前;通过一维冲量法分析得到,燃烧室最低马赫数低于0.5,沿轴向中间大部分区域为亚声速;支板单独喷射轴向位置靠前,燃烧效率更高;当量比相同的情况下,支板单独喷射的燃烧效率要比支板和壁面组合喷射的燃烧效率更高。

支板/凹腔超声速燃烧室总压损失特性研究

为了研究支板/凹腔超声速燃烧室总压损失特性,基于实验测得的壁压,结合一维分析方法,得到了支板/凹腔超声速燃烧室冷态和热态的沿程马赫数与总压.对不同当量比下,燃烧室冷态与热态的总压损失特性进行了研究.研究表明：支板/凹腔超声速燃烧室在当量比为0.35~0.8的范围内,随着当量比的提高,热态的总压损失系数逐渐减小,会逐步小于冷态总压损失系数;其中壁面摩擦和燃烧对总压损失的影响随之减小,波系结构的影响随之增加.

支板-凹腔组合结构对煤油混合的数值分析

为研究超声速燃烧室的混合特性,采用离散相模型对带有支板-凹腔组合结构的煤油超燃冲压发动机燃烧室进行了数值模拟,分析了凹腔长深比和凹腔后缘倾角变化对煤油混合特性的影响。计算结果表明,大长深比的凹腔构型增大了燃料的穿透深度,拓宽了煤油与空气的接触面积,从而使混合效率增加。后缘倾角为30°的凹腔较后缘倾角为45°的凹腔更容易卷吸主流中的燃料,增加燃料与凹腔内气体的质量交换。

气冷凹腔支板引气孔面积对冷却效果的影响

为了对一体化气冷凹腔支板更好地进行冷却,采用三维数值模拟方法,研究外涵引气孔面积对巡航工况下一体化凹腔支板气动热力性能的影响,得到了引气率、壁面平均冷却效果、壁面温度、一体化凹腔支板内流局部总压恢复系数随引气孔面积的变化规律。结果表明:在研究的参数范围内,引气率随着引气孔面积的增大而线性增大,最大值相对于最小值增加了55.3%;壁面平均冷却效果随着引气孔面积的增大而增大,最大值与最小值偏差337.7%;壁面最高温度随引气孔面积增大下降幅度较小,最大值与最小值偏差仅为2%;局部总压恢复系数随引气孔面积的增大而下降,下降幅度为5.1%。

支板凹腔耦合超燃燃烧室燃油动态调节研究

在纯净空气来流下,对以液态航空煤油为燃料,以支板凹腔耦合方式稳焰的超燃燃烧室的燃油动态调节进行了研究,采用两台柱塞泵供油,结果表明:总燃油当量比为0.83的条件下,动态切换支板喷射位置从上游到下游的过程中,燃烧室上游的壁面压力先下降后上升,而靠近出口的壁面压力则先上升后下降,并最终稳定;动态调节支板喷射的当量比,壁面压力峰值随当量比升高而升高,但壁面压力提升的起始位置随当量比升高向上游移动;通过试验验证动态调节后的稳定时间足够,试验数据可靠。

壁面喷射当量比对支板凹腔耦合燃烧的影响

在纯净空气来流条件下,对于全高后掠支板与凹腔耦合的燃烧室,采用分级喷射供油,对比研究了壁面喷射当量比对壁面压力和燃烧性能的影响。结果表明:在支板喷射当量比一定的情况下,随着壁面喷射当量比增加,壁面静压峰值升高,静压开始提升的位置向上游移动,总当量比达到1.1时发生溢流;一维分析表明,马赫数在支板附近降到1以下,在凹腔处达到0.5左右,在出口扩张段恢复至1以上,燃烧室处于亚燃模态;燃烧性能方面,保持支板喷射当量比一定,随着壁面喷射当量比的增加,总压恢复系数提高,出口总温增加,燃烧效率降低。

基于支板凹腔结构的超燃燃烧室数值研究

为探究基于支板凹腔结构的超燃燃烧室性能,在超声速来流条件下,采用带中心支板且凹腔长高比为7.5的三维超燃燃烧室模型,针对支板阻塞比、扩张段扩张角、不同燃料喷射方式以及不同燃料当量比对燃烧室相关性能的影响进行了数值研究。研究发现:支板阻塞比会对隔离段内的激波分布以及支板后缘速度分布产生明显影响,而扩张段扩张角会影响超声气流在燃烧室出口的膨胀状态;采用壁面以及中心喷注支板同时喷油方式在保持高燃烧效率的同时会扩大整个燃烧室的燃烧区域;当采用单独壁面喷油方式时,凹腔内静温分布会随着当量比的变化发生相应的改变,同时会在当量比为0.51~0.74时达到相对较高的燃烧效率。

凹腔支板尾缘涡脱落频率试验研究

为研究不同结构尺寸的凹腔对支板尾缘涡脱落频率特性的影响,设计了用于一体化加力燃烧室的带凹腔支板部件,并对其进行了风洞冷态试验。对所测得的速度数据进行频谱分析,并与标准支板的相关数据进行对比。结果表明:开凹腔设计改变了涡脱落频率变化趋势,而不同结构尺寸的凹腔对尾迹区涡脱落频率的影响相近。

乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合数值优化

为探索带交错尾部支板的超燃燃烧室流场特性,运用有限体积法对乙烯喷注当量比0.6的燃烧室进行了数值模拟。对比喷孔不同布置方式,支板尾部交错结构不同数目、不同翘角对混合效率、总压损失的影响。研究发现,喷孔数目越多,对燃料与空气充分混合越有利,但过多喷孔会降低穿透深度,且导致可燃混合区重叠,不利于掺混增强;交错结构数目越多,产生的流向涡涡量强度越大,但远场混合效率并不理想,当支板交错结构数目等于4时,在凹腔附近能取得较大掺混效率;在一定范围内,支板翘角越大,掺混效果越好,交错结构掠形尾部也有利于掺混增强,但均会导致更大的总压损失。

带凹腔支板的数值模拟

用大涡模拟的方法对带凹腔支板进行了数值模拟。采用Smagorinsky-Lily亚网格尺度模型,并用SIMPLE算法和中心差分格式求解离散方程。仿真结果表明:凹腔对支板尾流有一定的影响;在本文研究的凹腔深度范围内(5mm、11mm、15mm),随着凹腔深度的增加,尾流近壁面旋涡的最大涡量值先减小后增大,频率先增大后减小。

凹腔对一体化支板火焰稳定器燃烧性能的影响

在来流温度为780~850℃、来流马赫数为0.16及油气比为0.002~0.006的条件下,试验研究了凹腔对喷油/稳定一体化支板火焰稳定器燃烧效率及熄火性能的影响,并结合数值模拟进行辅助分析。结果表明:在不同油气比条件下,带凹腔的一体化支板火焰稳定器均能实现稳定高效燃烧;不带凹腔的一体化支板火焰稳定器燃烧效率始终低于带凹腔的一体化支板火焰稳定器,随着油气比的增加,两者燃烧效率差距逐渐缩小;带凹腔的一体化支板火焰稳定器较不带凹腔的一体化支板火焰稳定器有更好的熄火性能;凹腔结构促进了燃油雾化与蒸发,从而提高一体化支板火焰稳定器的燃烧性能。

整流支板和火焰稳定器的一体化设计及性能分析

针对航空发动机高推质比、高隐身的需求,提出一种加力燃烧室整流支板和火焰稳定器一体化设计的方法,并开展了相关模型加力燃烧室的计算和试验研究.研究结果表明:采用一体化设计加力燃烧室,能够缩短加力燃烧室长度,大幅降低非加力状态的冷态流阻,明显改善发动机加力燃烧室的性能,提高发动机的推质比.可为解决高推质比、高隐身发动机技术提供了一种新的思路和研究方向.