驻涡加力燃烧室凹腔稳定器冷却特性实验研究

为了研究驻涡加力燃烧室凹腔稳定器的冷却特性,设计了三种不同冷却结构的凹腔稳定器。采用实验研究的方法,对不同冷却结构的凹腔稳定器冷却特性进行研究,同时改变试验中凹腔油气当量比、次流与主流流量比(0.25~0.37)和主流马赫数(0.17~0.26),分析不同结构和气流参数下了凹腔冷却特性。结果表明:驻涡加力燃烧室的凹腔稳定器壁面最高温度出现在前壁面,前壁面温度较上壁和后壁偏高300K左右;凹腔稳定器壁温受冷却孔开孔率、凹腔油气比、次流与主流流量比影响较大,受马赫数影响较小。综合考虑各个方案试验结果,在凹腔稳定器冷却孔开孔率较低时,凹腔内部油气当量比建议取1.2~1.5。

凹腔对固体超燃冲压发动机燃烧性能影响研究

为提高固体超燃冲压发动机燃烧性能,获得凹腔对固体超燃冲压发动机燃烧性能影响规律,开展了地面直连试验和数值模拟研究。利用数值模拟分析了凹腔位置和数量对燃烧室流动与富燃燃气掺混燃烧作用效果。研究表明:(1)马赫数沿燃烧室流向均呈现下降-波动-上升的变化特点,相比于无/单凹腔构型中的近壁面燃烧,双凹腔构型实现流道中心燃烧。(2)富燃燃气中可燃气体与凝相颗粒因穿透深度不同导致两者分区燃烧,气相燃烧速度和燃烧效率均远高于凝相颗粒,不同质量的颗粒运动轨迹存在差异,但该差异随颗粒燃烧而逐渐减小。(3)凹腔通过产生低速区促进富燃燃气掺混燃烧,促进效果取决于凹腔与燃气喷口间的距离。(4)凹腔对固体超燃冲压发动机燃烧性能具有明显影响,发动机无凹腔时燃烧效率仅0.48,总压损失达0.67,采用双凹腔时燃烧效率达0.98,总压损失为0.58。综上所述,采用双凹腔构型的燃烧室更有利于提高固体超燃冲压发动机燃烧性能。

带驻涡凹腔的径向钝体稳定器燃烧特性研究

针对燃烧室高速气流中低压组织燃烧需求,本文分析驻涡稳定器-径向稳定器组合结构的燃烧性能,对驻涡燃烧室传焰和稳焰结构的优化设计提供支撑。研究采用实验和数值模拟相结合的方法,在0.06~0.08MPa的负压条件下,获得了组合稳定器结构的燃烧效率、出口温度分布和热态流场。结果表明,径向稳定器的存在使得燃烧室出口产生了明显的温度不均匀现象;降低燃烧室总压将导致燃烧效率明显恶化,总压每下降0.01MPa,对应的燃烧效率将下降约5%。燃烧区的位置与流场息息相关,在热态燃烧过程中,高温区集中在凹腔侧边和径向稳定器外侧,燃烧室中央部分存在来源于凹腔值班级、并沿径向稳定器传播的火焰。余气系数的提升将增加主流供油的穿透深度,导致燃烧区进一步集中在燃烧室两侧,出口温度不均匀程度将由此上升,当余气系数下降到2以下时,燃烧室两侧燃油的富集将导致燃烧效率下降。

一种蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动与点火性能研究

为进一步拓宽凹腔驻涡值班稳定器在低温、高速来流条件下的点熄火边界,提出了一种利用高温燃气预热、预混供油的蒸发式凹腔驻涡值班稳定器。研究了蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动特性、燃油分布特性及点火性能。研究结果表明:蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的掺混腔和凹腔内部形成的涡系结构为低温、高速来流下的点火和燃烧提供了有利条件。凹腔驻涡区的气相油雾沿流向分布均匀,沿周向从稳定器对称子午面最富递减到相邻稳定器中间面最贫。在相同来流温度下,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的贫油点火和熄火当量比均随着来流速度的增大而增大。在低温(600K)、高速(100~200m/s)来流条件下,相比于蒸发式Z形值班火焰稳定器和常规薄膜蒸发式火焰稳定器,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器贫油点火当量比能分别降低5.5%和30%;其贫油熄火当量比能分别降低37.4%和48.8%。

马赫2凹腔燃烧室火焰振荡特性实验研究

通过本征正交分解、连续小波变换等统计学方法,对超声速凹腔燃烧室内火焰自发辐射光谱图像进行分析,以探究典型来流与燃料喷注情况下燃烧室内的火焰振荡情况.通过实验室可控的声激励射流火焰,验证了统计学方法在研究火焰振荡特性方面的可行性和有效性.进而,将这些方法应用于来流马赫2的超燃冲压模型燃烧室,研究了大长深比凹腔燃烧室在不同燃料喷注工况下的火焰振荡特性,通过与现有文献结果对比,得出了大长深比凹腔更有利于抑制燃烧振荡的结论.

高速列车车门凹腔结构的流致振动特性

流致振动是高速列车设计和运维过程中需要重点关注的问题之一。针对高速列车司机室车门区域的凹腔结构,利用数值计算、风洞试验和实车线路试验相结合的方法,分析车门区域的流场特征和车门出现流致振动现象的主要原因,据此对车门两侧凹腔结构和扶手进行优化,并对封堵凹腔和扶手内移2种优化方案进行实车试验验证。结果表明:司机室车门上游凹腔结构诱导的展向涡导致车门表面出现高频的脉动压力,列车运行速度越高,压力波动幅值越大,但波动频率锁定在83 Hz,当压力幅值超过车门承受的限值后,车门将出现流致振动现象;气动拉力和气动侧向力是诱发司机室车门流致振动的主要气动载荷,车门宜设置在车体横截面不变区域;通过优化凹腔结构和扶手的形状能够消除司机室车门的流致振动现象;合理改变扶手位置能够减弱凹腔结构引起的流致振动现象;如果要消除流致振动现象,应将扶手改为盖板结构,或者将扶手截面形状改为非圆形截面。

带背景激波系的凹腔流动特性研究

凹腔作为超燃冲压发动机的一种火焰稳定器受到广泛关注,凹腔剪切层与背景激波系的相互作用影响凹腔火焰稳定器的性能。为深入分析背景激波系对凹腔流动的影响,设计了长深比为13.3的闭式凹腔,将凹腔模型前缘激波和风洞上壁面干扰激波作为背景激波系,在Ma=2的直连式风洞中开展了背景激波系与凹腔剪切层的相互作用的试验,采用高速纹影系统对瞬态流场进行了捕捉,重点关注背景激波系和凹腔剪切层的动态变化特性。采用纹影序列的本征正交分解来研究流场中的主要相干结构,采用快速傅里叶变换和连续小波变换对流场的频率域特征进行了分析。结果表明:在背景激波与剪切层相互作用下,激波结构产生大尺度振荡,凹腔内流动结构产生小尺度脉动。通过对激波位置的傅里叶变换分析,发现激波振荡的主导频率集中在90~400Hz的范围内。通过对纹影图像的空间傅里叶变换分析,发现5kHz以下的流场振荡主要由激波振荡引起,5kHz以上的流场脉动主要由凹腔内流动结构引起。

凹腔对高超声速边界层稳定性的影响

凹腔广泛存在于航空航天飞行器表面,如部件安装缝隙、高温烧蚀剥离等,对边界层转捩过程具有重要影响,是飞行器气动设计需要重点考虑的因素之一。为了探究不同尺度凹腔对边界层扰动波的影响规律,本文在固定来流条件下针对不同尺度的壁面凹腔,采用线性稳定性分析和高精度直接数值模拟,研究了高超声速(Ma=5.92)和超声速(Ma=1.38)边界层内扰动波经过凹腔的演化过程。结果表明:凹腔内部存在较强的回流区,其涡结构随着凹腔尺寸的增大变得复杂。对于高超声速流动,当凹腔位于快慢模态同步点上游时会促进扰动波发展,而位于同步点附近或下游时则起到抑制作用,且当凹腔位于同步点位置时抑制效果最佳;增加凹腔尺度(宽度或深度)会强化其对扰动波的控制效果。对于超声速流动,在不稳定区间范围内凹腔总是促进扰动波增长,并且随着凹腔尺度的增加促进效果增强。当凹腔尺度超过临界值后,凹腔内流动会发生自激振荡,进而给下游边界层引入新的扰动源,促进转捩的发生。本文研究结果对飞行器表面气动设计与热防护提供了重要参考。

超声速燃烧火焰稳定凹腔质量交换特性的数值研究

对超声速冷流条件下用于超燃冲压发动机的凹腔火焰稳定器的质量交换特性进行研究．采用混合RANS／LES方法对非定常流场进行数值模拟,考虑了凹腔的长深比和后缘角度两个关键参数．计算得到了凹腔剪切层拟序结构的演化过程．对凹腔压力振荡历程进行幅频分析,所得到的频率和理论分析结果及一些计算结果十分吻合．结果表明,凹腔的长深比和后缘倾角对凹腔质量交换过程都有较大的影响．凹腔驻留时间随着长深比的增加而增加．随着后缘倾角减小,长深比较小的凹腔的驻留时间增加,长深比较大的凹腔则完全相反．该计算结果为凹腔设计提供了新认识．

多凹腔燃烧室煤油非定常超声速燃烧流动过程研究

为探究多凹腔燃烧室的燃烧流动过程,采用非定常方法对液态煤油超声速燃烧特性进行了数值研究。计算结果发现,随着燃烧释热的进行,一道拟正激波被推到靠近隔离段入口处,最大压比达到3.77,燃烧达到稳态需要22ms;上游凹腔处煤油液滴运动轨迹表现出很强的非定常性,其运动方向与当地流动时刻的压力条件相匹配,上凹腔附近的液滴穿透深度明显大于下凹腔的,液滴个数也大于后者;出口总压恢复系数为47.09%,与实验值47.50%很接近,出口燃烧效率达到72.91%,体现了多凹腔燃烧室在保证燃烧性能较好时总压损失较低的优点;扩张型面上的凹腔质量交换律大于平直型面上的,表明型面扩张有利于增强凹腔内燃料与主流空气的质量交换;计算预测的燃烧室侧壁、上壁、下壁压力均与实验值吻合得较好。

超燃冲压发动机凹腔火焰稳定器阻力分析

为了研究凹腔火焰稳定器在超燃冲压发动机燃烧室内的阻力情况,采用了试验和数值仿真的方法,结合已有的研究结果、纹影图像和阻力测量等进行了分析。结果表明:在冷流中凹腔阻力受自由剪切层与后壁作用情况决定,来流总压高,作用面积大,凹腔阻力大;在反应流中,凹腔阻力小于冷流阻力,在高当量比条件下凹腔可能产生正推力;凹腔附近最强燃烧放热区对凹腔阻力影响较大,当最强放热区分布在凹腔前壁附近时凹腔可能产生推力;当最强燃烧放热区分布在凹腔后壁时,凹腔可能产生阻力。

特殊凹腔印制板压合阻胶方案研究

对于一种槽底有导通孔、槽壁非金属化设计的特殊凹腔印制板,采用带有导通孔的母板与带有非金属化槽的子板压合、烧结制作工艺,其关键技术是阻止半固化片流胶污染槽底金属化区域。通过测试半固化片铣空区补偿和PTFE垫片两种阻胶方案,初步探索出特殊凹腔印制板的压合工艺,为此类样板的制作提供了可行的技术方案。

双凹腔开口先进旋涡燃烧室燃烧特性研究

为了确定先进旋涡燃烧室后钝体开口结构参数(开口角度100°、开口尺寸2 mm)下燃烧室最佳匹配长度,通过研究燃烧室长度对燃烧效率、出口温度分布及出口径向温度分布的影响,得出燃烧室最佳匹配长度为800 mm。在此结构基础上,增加第三钝体形成双凹腔AVC(advanced vortex combustor),对其燃烧流场进行数值模拟,结果表明当第二凹腔长度L2及第三钝体开口尺寸L3满足L2/L1=1.2,L3/H=0.6时双凹腔开口AVC具有流场流动性好、燃烧稳定性好、温度分布高等优点。

基于主动喷注方式的后缘突扩凹腔激光诱导等离子体点火实验研究

针对马赫数2.92,总压2.6MPa和总温1530K的超声速来流条件,基于主动喷注乙烯的燃料喷注方案,在后缘突扩凹腔燃烧室中开展了激光诱导等离子体点火实验研究。通过采集50kHz的CH*基自发辐射图像,详细观测了火焰传播过程并进而研究了主动式燃料喷注方案对点火过程的影响。研究表明,在激光诱导等离子体点火以后,CH*基强度沿时间的变化会呈现出不同的阶段性特征,大体可以分为四个不同的发展变化阶段(激光激发阶段、初始火焰阶段、过渡阶段和全局火焰阶段)。对于采用凹腔主动式燃料喷注方案,都会经历一个类似的初始火焰形成、减弱、增长和迅速发展成全局火焰的过程,区别在于采用凹腔后壁面燃料喷注方案的初始火焰要更加微弱,而且要经历一个难以观测到CH*基信号的初始火焰沉寂阶段。在全局当量比0.03～0.07的条件下,凹腔前壁面燃料喷注方案要比凹腔后壁面燃料喷注方案更加利于初始火焰的发展,但在形成全局火焰以后会引起较大的波动不利于火焰稳定。

驻涡燃烧室凹腔双涡结构研究

从1995年Hsu等提出驻涡燃烧室至今,在不到10年时间,驻涡燃烧室经过了4代的发展,也越来越接近实际应用。该文设计实验用轴对称三维驻涡燃烧室,利用testo360对燃烧室的出口温度场及污染物排放进行测量,实验结果显示:驻涡燃烧室凹腔后体吹气能够大幅度降低NOx排放;然后通过PIV(粒子成像测速仪)技术对驻涡燃烧室冷态流场进行测量,探讨驻涡燃烧室降低污染排放的机理,试验结果显示当驻涡燃烧室在低污染工况下凹腔内确会出现双涡结构,进一步证明双涡结构对降低燃烧室污染排放物的贡献。

凹腔驻涡模型燃烧室内涡的演化发展

使用大涡模拟对凹腔内双驻涡冷态流场进行了分析研究.结果发现,在主流、前后壁面射流的情况下,凹腔在某些特定几何条件下会产生准周期生成和破碎的驻涡,同时研究了凹腔内准周期驻涡的生成发展的过程,得到了影响凹腔内涡演化的新结果.

凹腔双驻涡稳焰冷态流场初步研究

驻涡燃烧室凹腔内流场对其燃烧性能有重要的影响,为了找出凹腔流场的特性,使用数值和实验两种手段对凹腔内双驻涡稳焰冷态流场进行了初步研究。研究结果表明:在主流速度和凹腔前壁面吹气速度一定的情况下存在一个最佳的后壁面吹气速度使得凹腔内的流场稳定,以满足先进燃烧室所期望的条件。研究成果初步确定了凹腔双驻涡稳焰冷态流场特征,并为开展热态研究打下基础。

凹腔油气匹配对驻涡燃烧室点火性能影响试验

针对一种以煤油为燃料的驻涡燃烧室,在前期研究的基础上对其前体油气匹配进行几种结构改变,探讨驻涡燃烧室头部油气匹配及后体气量变化时对其点火熄火的影响。对仅采用凹腔供油的驻涡燃烧室的贫油点火及贫油熄火特性进行了试验研究表明,随后体气量增加,总的贫油点火油气比先下降后上升,绝大部分工况下,总的贫油点火油气比在0.04以下;贫熄总油气随主流气量的减小先增大后减小;各个方案熄火总油气比都在0.004以下;凹腔前体进气温度的提高有利于驻涡燃烧室的点火熄火性能。

采用离心喷嘴的单凹腔驻涡燃烧室点火与贫熄特性

为了研究单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火特性，设计了一个带扩压器和内外机匣的单凹腔驻涡燃烧室矩形试验件，采用试验研究和半经验分析相结合的方法对其点火和贫油熄火进行了研究。试验在常压状态下进行，采用RP3航空煤油作为燃料，所用供油喷嘴为空心锥离心喷嘴，试验中的进口空气温度在287-487K变化，进口空气流量在0.2109-0.4219kg/s变化，对应进口马赫数从0.15变化到0.31。结果表明：单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火油气比均随着燃烧室进口温度和进口流量的增加而减小，单凹腔驻涡燃烧室的点火油气比比贫油熄火油气比约大50%。经过半经验分析，得到了影响单凹腔点火和熄火的综合参数A，该参数能够较好地解释和评价各种因素对贫油熄火的影响。

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。