面向旋转爆轰燃烧室的涡轮气动性能数值研究

为研究旋转爆轰燃烧室出口流场对涡轮气动性能的影响,基于指数函数的非线性特征简化了燃烧室出口的流场分布,采用求解三维SST k-ω湍流模型的方法对涡轮全流场开展数值计算。讨论了不同来流脉动特性对叶栅瞬态流场的作用机制,分析了涡轮叶片对燃烧室出口压力振荡峰值的抑制作用,并在此基础上探究了不同工况下涡轮流动特性的变化。计算结果表明:脉动来流使涡轮瞬时流场呈现复杂的周期性变化;单级轴流式涡轮使得压力振荡峰值最高降低73.49%,其中静子叶栅对双波模态下压力峰值的抑制效果最优,最多可降低49.9%,转子叶栅对压力峰值的二次抑制具有补偿效应,压力峰值平均减小46.95%;涡轮虽然会增强来流的总压脉动特性,但本身具有一定自适应能力,此外总压脉动与流动均匀性有较为密切的关系。

旋转爆轰燃烧室壁面传热特性数值模拟

为研究旋转爆轰燃烧室的壁面传热特性,对H2/Air旋转爆轰燃烧室进行了三维共轭传热模拟研究。建立了带壁面的燃烧室模型,采用密度基求解非稳态RANS方程,选用标准k-ε湍流模型,利用能量方程和流固界面的Interface边界条件实现壁面耦合传热,研究了旋转爆轰燃烧室非稳态流场及壁面传热特性分布。结果表明,流场中温度升高的原因包括化学反应和流体压缩两种机制。燃烧室头部附近壁面存在环形高温带,壁面温度沿轴向先上升后下降,爆轰波与斜激波交汇处附近温度最高。壁面热流密度则在头部最高,沿轴向逐渐降低。在除头部以外的其他部分,壁面换热系数沿轴向下降,进一步说明了壁面热流密度受燃烧室内部压力的影响。预混条件下,当量比越接近1.0、质量流量越大,燃烧室壁面温度越高且越集中于头部,高热流密度区域的轴向深度越短,极限热流密度越高。

连续旋转爆轰燃烧室增压特性的数值研究

为了分析爆轰燃烧室几何尺寸对增压特性的影响,利用二维欧拉方程数值研究了当量H2/Air在连续旋转爆轰燃烧室中的燃烧流场情况。研究表明:在准稳定状态下爆轰燃烧流场特征参数随时间呈周期性振荡,且其振幅保持不变;横波及局部爆炸波的存在是爆轰波后侧附近总压沿x轴呈现波动变化的主要原因;影响连续旋转爆轰燃烧室增压特性的直接因素为斜激波的高度及爆轰波强度,减少轴向尺寸或增加周向尺寸可增强其增压特性。连续旋转爆轰燃烧室的增压比高达2.52,与传统的燃烧室相比,大大提高了燃气的做功能力。

旋转爆轰燃烧室与涡轮导向器集成特性数值研究

为了研究叶栅稠度对旋转爆轰燃烧室-涡轮导向器流场分布和工作特性的影响,以便进一步优化旋转爆轰燃烧室与涡轮导向器的相关设计,基于SST k-ω黏性湍流模型求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes控制方程,并结合间歇因子转捩模型,爆轰燃烧机理采用正癸烷-空气单步反应,通过在初始流场施加高温高压区诱发爆轰波,分别对具有6种不同叶栅稠度导向器和不具备导向器的旋转爆轰燃烧室开展数值计算,对瞬态流场演变和波系结构进行了讨论分析,评估了不同叶栅稠度下导向器的工作特性。研究结果表明:导向器上下游均形成了动态的耙式激波包络面,其结构和强度受叶栅稠度影响,爆轰流场特性保证了叶栅通道自起动能力。导向器抑制了上游压力峰值,峰值衰减率最高可达60.87%。爆轰燃烧的总压增益得到提高,导向器出口增压比最高为1.24,出口增压比频率与叶栅稠度大小呈正相关,最高可达143.33 kHz。叶栅通道对爆轰产物具有一定流动调节能力,时均落后角最小为1.84°,出口时均马赫数最高为1.38,此外出口气流角均匀性显著提高。研究结果揭示了导向器对提高连续旋转爆轰涡轮发动机性能的潜在价值,对该种发动机的设计优化以及工程化应用提供了一定指导。

连续旋转爆轰燃烧室的性能

利用二维可压缩欧拉方程数值研究了当量氢气/空气在连续旋转爆轰燃烧室(CRDC)中的流场情况,主要考查了不同CRDC周向尺寸下燃料入流总压对增压比、燃烧效率、容积热负荷及其NOx排放等性能的影响.结果表明:当CRDC周向尺寸为150mm时,随着燃料入流总压的提高,增压比基本保持不变,燃烧效率和容积热负荷均呈线性增长;当CRDC周向尺寸为250mm时,随燃料入流总压的提高,爆轰波头数加倍,容积热负荷仍呈线性增长,但是增压比及燃烧效率均出现转折性下降.与传统的等压燃烧室相比,CRDC具有更高的性能.当计算域为250mm×40mm时,增压比高达2.706,大大提高了燃气的做功能力;容积热负荷达到2.18×1010 W/m3;而NOx排放质量浓度为0.692mg/m3,保证了低排放的要求.

基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究

为研究环形燃烧室中边界层、黏性、湍流模拟方法对旋转爆轰流场结构的影响,采用开源计算流体动力学软件OpenFOAM,以氢气为燃料、空气为氧化剂,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法、RANS方法、Euler方法,分别结合滑移和无滑移边界,对三维旋转爆轰发动机模型进行数值模拟,分析对比不同计算方法下旋转爆轰流场结构。着重讨论以LES方法得到的流场结构。研究结果表明:当采用滑移边界时内、中、外截面的流场温度无太大差异,当采用无滑移边界时内外壁面温度高于中间截面,边界层会影响近壁区域气体的流动速度,导致内外壁面爆轰波高度低于中间截面,还会影响燃烧产物的流动状态轴向截面上爆轰波波头产生变形;不同湍流计算方法得到的旋转爆轰流场结构存在相似性,黏性是影响旋转爆轰流场结构的主要原因。研究结果对于揭示边界层和黏性对旋转爆轰的影响机制具有一定的科学意义。

旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性,可提高热力循环效率,因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用剪切应力输运k-ω湍流模型,建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型,研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用,分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明:旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速,并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用,由于旋转爆轰波不同的传播方向,使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行,进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用,涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征,并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。

涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响.实验结果表明:在当量比较低时,爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作;逐渐增大当量比,爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作;继续增大当量比,爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作,且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高.爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用,涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用,但对压力振荡频率的影响较小.随着当量比的增大,涡轮导向器上下游的静压均同时增大,经过涡轮导向器的作用,涡轮下游静压明显降低.

侧向膨胀效应下激波与涡轮平面叶栅相互作用机理研究

爆轰燃烧具有更低的熵增率和更高的热循环效率,利用旋转爆轰燃烧室替代涡轮喷气式发动机的主燃烧室可以进一步提高其工作性能。为研究旋转爆轰波组合发动机内部的工作过程,建立激波管与涡轮平面叶栅耦合计算模型,考虑激波传播方向的影响,分析激波在侧向膨胀效应下与涡轮叶片相互作用机理,并在此基础上进一步开展可视化实验研究。结果表明:在侧向膨胀效应影响下,激波波阵面从竖直形状转变为弯曲形状,波后气流在直角台阶处形成一个三角形的局部超声速区域,随后弯曲激波与涡轮叶片的前缘处、压力面、吸力面和尾缘处相互作用,在叶栅通道内形成复杂的波系结构。静子叶栅和转子叶栅对压力和温度有着不同程度的抑制作用,当弯曲激波相对于叶片垂直时,叶栅的抑制更为明显。对比分析了实验与数值模拟获得的激波系在涡轮平面叶栅通道内的传播及演化过程,发现激波演化的时空特性高度一致,实验与数值模拟结果吻合良好。观测到弯曲激波在叶片尾缘处发生衍射,波阵面面积明显增大且激波传播方向改变,随着激波继续传播,叶片尾缘处伴随着脱落涡产生。

旋转反压与离心式压气机叶片相互作用数值模拟研究

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压、热效率高的特点,将航空涡轮发动机的燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室可进一步提高发动机性能。本文基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用k-ε湍流模型,针对旋转反压与离心式压气机叶片的相互作用开展三维数值模拟,研究旋转反压形成的前传压力波与扩压器及叶轮叶片的相互作用,分析旋转反压传播方向对前传压力波运动过程的影响。结果表明:旋转反压会在压气机内形成前传压力波,其与扩压器和叶轮的叶片相互作用,形成复杂的波系结构。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向相反时,前传压力波的压力峰值在扩压器内先下降后上升,在进入叶轮通道后迅速下降,无法到达叶轮入口。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向一致时,压力波波形发生明显变化,其与扩压器叶片相互碰撞导致强度明显下降,向上游传播距离更短。

重整气爆轰增压燃烧特性分析

为了提高燃气轮机的热效率,提出将化学回热技术(CR)与连续旋转爆轰增压燃烧(CRDPC)技术进行有效结合的思路.通过实验研究与数值研究的方法分别考察了不同的甲烷蒸汽重整方案对热回收的影响、重整气的增压燃烧流场特性及燃烧室性能等.结果表明:并列协同催化甲烷蒸汽重整方案具有最佳的重整性能,甲烷转化率和总焓增加率分别达到46.51%和25.28%;重整气组分的差异对爆轰波系流场结构影响较小,但是氢气质量分数的增加可以提高爆轰波传播速度,也会加剧新鲜预混气与上一轮爆轰产物的接触间断处的提前燃烧;在总压相同且重整气与空气以化学当量比进行预混的前提下,重整气中氢气质量分数增加1.1%左右时,预混气入口比质量流量降低约4.5%,但连续旋转爆轰燃烧室增压比降低约6.0%,这主要是接触间断处的提前燃烧造成的.