燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能的影响,在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,详细分析了不同燃烧室长度下爆轰波传播模态、平均压力峰值和传播速度的变化特征。测量了发动机模型在不同燃烧室长度下的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明:出口背压为大气压时,空气流量为762.9g/s,氧气流量为182.4g/s,汽油流量为84.3g/s,当量比为0.82,燃烧室长度L=235mm工况下爆轰波为稳态双波对撞模态,平均压力峰值和传播速度分别为0.9MPa和1068m/s,爆轰波传播频率为2.223kHz。当L<235mm时爆轰波为非稳态双波对撞模态,平均压力峰值变化较小,传播速度随着燃烧室长度变短而降低。仅在L=135mm工况下,爆轰波传播速度略高于L=155mm工况点,推力和燃料比冲分别为579.5N和701.5s。当155mm≤L<235mm时推力和燃料比冲随燃烧室长度增加而缓慢增大,L=235mm时推力和燃料比冲分别为607.3N和735.1s,L>235mm时推力和燃料比冲变化趋于平缓。

SMC模式下RBCC发动机4 Ma工况性能仿真

为研究SMC模式下火箭混合比对RBCC发动机性能的影响规律,完成了氢/氧火箭推力室中心布局、二元定几何结构模型发动机飞行马赫数Ma_(0)=4、高度H=17 km弹道点流场仿真,获得了不同火箭混合比(MR=2、3、4、5、6、8)及燃烧室长度的推力、比冲性能。研究表明:在火箭燃气富燃条件下(MR<8),产生了正的火箭推力增益,且随着混合比的减小,火箭推力增益增加;二次燃烧过程受火箭射流与冲压主流剪切层掺混主导,在给定的基准燃烧室长度下,燃烧效率随着混合比的提高而增加,且火箭射流与冲压主流的超/超射流剪切层燃烧过程一直持续到喷管出口;通过增加燃烧室长度,火箭富燃燃气获得更为充分的燃烧,发动机性能显著提升,但在具体发动机设计中,燃烧室长度的选取需在燃烧效率与结构惩罚之间进行权衡。

燃气发生器结构对燃烧性能的影响

为了确定最佳的燃气发生器结构,对不同结构的燃气发生器进行了对比试验,考察了喷嘴尺寸、燃烧室长度、燃烧室构型等因素对燃气发生器燃烧性能的影响.研究结果表明:在一定范围内增大喷嘴尺寸,燃烧性能基本不受影响,但却可以缩短燃气发生器的点火延迟时间,并且增大流量调节范围;增加燃烧室长度可以明显的提高燃烧效率;燃烧室的构型对燃烧性能有很大影响,收缩-扩张型着火段影响了燃烧过程,降低了燃烧效率,燃气发生器设计不宜采用这种构型.

焙烧炉新型燃烧器燃烧特性的数值模拟

对一种用于焙烧炉的新型燃烧器的燃烧过程建立了二维旋转轴数值计算模型,采用数值模拟的方法研究了燃气入口速度和喷口与喉部直径比对其燃烧特性的影响.结果表明,燃烧室内最高温度随燃气入口速度增大而升高.当燃气入口速度一定时,随喷口与喉部直径比的增大,火焰形状由梨状变为燕尾状,燃烧室内最高温度先降后升.火焰长度随燃气入口速度的增大而增长,随喷口与喉部直径比的增大而缩短.

联焰板长度对驻涡燃烧室凹腔流动特性影响的数值模拟

开展了联焰板长度对驻涡燃烧室凹腔冷态流场特性影响的数值研究,结果表明:联焰板的流向长度存在两个临界值:Lc1=1mm和Lc2=9mm,当联焰板的流向长度小于等于临界长度Lc1时,主流会卷入凹腔中,凹腔中无法形成双涡结构;当联焰板的流向长度大于临界长度Lc1小于等于Lc2时,凹腔中可以形成双涡结构,但仍有部分主流会卷入凹腔中;当联焰板流向长度大于Lc2时,凹腔中可以形成双涡结构,主流几乎不会卷入凹腔中。

同轴旋流低NOx燃烧器空气动力场中一次风转捩长度

运用CCD摄像机对同轴旋转分层流低N0x燃烧器出口空气动力特性进行了可视化研究，对采集的图像进行了一系列处理。提出了一次风边界转捩长度的概念，并对其进行了定义，进而分析了一次风边界转捩长度的影响因素及其变化规律。研究结果表明：一次风转捩长度是一、二次风旋流强度和一、二次风风量比共同作用的结果，其大小范围取决于两者的配置；只有当两者处于合理配置时，燃烧器才能处于较好的燃烧工况。该研究结果为同轴旋转分层流燃烧器分层机理的研究打下了基础。

燃烧环长宽比对涡轮叶间燃烧室的影响

为研究燃烧环结构对涡轮叶间燃烧室的性能影响,通过改变燃烧环的径向长度,设计出6种不同长宽比的燃烧环模型,并利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型和离散相模型,对涡轮叶间燃烧室三维两相流场进行了数值模拟。结果表明:受高温燃气与主流掺混程度的影响,不同长宽比燃烧环内速度场及温度场差异明显,从而影响燃油液滴驻留时间和出口温度分布;合理选择燃烧环的长宽比,能有效改善涡轮叶间燃烧室的燃烧效率、总压损失和温度分布。本研究可为涡轮叶间燃烧室优化设计提供参考。

入口段长度变化对于非预混火焰声场响应的影响及其被动控制

非预混燃烧虽然在工业上应用广泛,但对其燃烧不稳定特性研究相对较少。实验研究了入口段长度变化对非预混旋流火焰在声场激励下响应的影响。实验中燃烧室入口进气段长度分别为0.245、0.345和0.445m。对于入口进气段长度为0.245和0.345m的情况,火焰的最大响应值出现在144Hz附近,为燃料管对于声场激励的响应所致;对于入口进气段长度为0.445m的情况,火焰的最大响应出现在134Hz,为燃料管和燃烧室响应的混合模式,此时,火焰的最大响应出现在入口进气段压力波动最大处。接着通过理论和有限元模拟计算了多孔吸声板的吸声特性。比较后发现,利用多孔吸声板控制入口段长度0.445m时的火焰响应效果优良。

旋转爆震燃烧室轴向和周向长度对其出口流场压力和温度的影响

为了研究旋转爆震燃烧室与涡轮的匹配特性,利用二维欧拉方程数值研究了基于当量H2/Air燃烧的旋转爆震燃烧室出口流场特性,对比分析了不同燃烧室轴向长度和周向长度出口总压脉动、总压畸变以及出口温度分布规律。结果表明:旋转爆震燃烧室在稳定工作状态下,其出口总压的脉动值会呈现周期性振荡;燃烧室尺度对发动机出口流场的不均匀性有很大影响,随着燃烧室轴向长度的增大或周向尺寸的减小,其出口总压脉动均值、畸变指数和出口温度分布系数均会减小,其出口流场均匀性提高。此外,爆震波高度随着周向尺寸的增大而增大;轴向尺寸对爆震波高度几乎不产生影响。

同轴旋转分层流燃烧器空气动力场中一次风转捩长度的研究

运用CCD摄像机对同轴旋转分层流低NOx燃烧器出口空气动力特性进行了可视化研究,并对采集的图像进行了一系列处理。对一次风边界转捩长度b进行了定义,分析了一次风边界转捩长度的影响,并对其变化规律进行了研究,为同轴旋转分层流燃烧器分层机理的研究打下了基础。

不同长高比RQL燃烧室燃烧和排放特性研究

针对3种长高比富油/焠熄/贫油(RQL)燃烧室,保持头部旋流器入口空气和燃料体积流量不变,通过改变焠熄空气体积流量,研究了不同长高比燃烧室冷态流场、掺混不均匀度、轴向温度分布及排气温度分布均匀性和污染物排放变化。结果表明:相同工况下长高比越小,射流深度越大,上下射流相互干涉作用越强;长高比为3.75的燃烧室掺混不均匀度最小,掺混效果最好;随着长高比的增加,焠熄区最低温度降低;长高比为3.75时,排气温度不均匀度较好,长高比大于3.75时,排气温度不均匀度迅速增加;随着长高比增加,燃烧室NO_x排放质量浓度升高,随着焠熄空气体积流量减小,不同长高比燃烧室NO_x排放质量浓度均先升高后降低,且在高焠熄空气体积流量工况下,低长高比燃烧室的燃烧效率下降。

不同结构中心分级燃烧室回流区数值模拟

针对燃气轮机中心分级燃烧室,采用数值模拟的方法研究了燃烧室长径比、受限比、预燃级旋流器旋向及主燃级叶片数目对回流区冷态流场的影响。结果表明燃烧室长径比H由2.14提高至3.43时,回流区长度增加23.2%,长径比继续增加时,回流区长度基本保持不变;燃烧室受限比I由1.66提高至3.75时,随着受限比增大,燃烧室回流区长度、宽度均是先增加后减小,在临界受限比I=2.60时最大;预燃级旋流器第一、二级相同旋向较相反时,回流区宽度和长度分别增加1.6%、6.7%,预燃级旋流器旋向组合对回流区的影响不显著;主燃级叶片数目由24增加至40时,回流区宽度增长不明显,始终处于0.050~0.052 m,长度增长显著,涨幅为22.7%。该结果可为燃气轮机中心分级燃烧室设计提供理论依据,并为其进一步研究提供参考。

燃烧室长度对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,通过分别改变燃烧室等直段长度和扩张段长度,对不同总长的燃烧室工作过程进行数值模拟.采用基于压力的2阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(finite-rate/eddy-dissipation),湍流模型采用SST(shear stress transport)k-ω模型.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分别分析了不同长度,即不同等直段长度或扩张段长度下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化.结果表明:随着等直段长度的增大,燃烧室出口处燃烧效率逐渐减小,从72.74%降低至66.81%,而燃烧室内总压损失逐渐减小,燃烧室推力逐渐增大,可由85.83N增加至108.55N;改变扩张段长度,发现扩长段长度变化对燃烧室流场结构的影响较小,随着扩张段长度的增大,燃烧室出口燃烧效率和燃烧室推力都略微减小.在燃烧室长度的设计范围内,增大等直段的长度要比增大扩张段长度对提升燃烧室各项性能有帮助.

旋流杯套筒混合段长度对点火特性的影响

为研究旋流杯套筒过长的混合段长度对燃烧室点火特性的影响,设计了两种不同的套筒混合段长度试验件,在常温常压条件下,采用单头部模型燃烧室进行了起动点火性能试验,同时采用马尔文进行了燃油雾化颗粒度测量,并结合Fluent软件的数值模拟对结果进行分析.研究结果表明:套筒混合段长度对燃烧室头部流场和油雾分布有很大影响,过长的套筒混合段长度将造成液雾与套筒壁碰撞,限制旋转射流和液滴的径向运动,造成喷雾锥角减小了32%,贫油起动点火油气比增加了20%左右.