液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

针对液氧煤油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性这一突出问题,建立了喷注单元的低压高频燃烧不稳定性模拟试验系统,使用气气推进剂。利用相似准则设计了缩比燃烧室,研究了全尺寸气液同轴式喷注器的结构尺寸和工作参数对燃烧稳定性的影响。结果表明,激发高频燃烧不稳定性时火焰变短,燃烧室压力出现大幅振荡并伴随啸叫;喷注器缩进室长度对燃烧稳定性裕量有很大影响并存在相对最佳值。试验结果可以指导发动机燃烧室的燃烧稳定性设计和评估,在发动机研制初期筛选燃烧稳定性相对最好的喷注器结构。

推进动力系统燃烧不稳定性产生的机理、预测及控制方法

在不稳定热释放和声波相互耦合作用下而产生的燃烧不稳定现象,表现为振荡燃烧的形式,常发生于火箭发动机、航空发动机加力燃烧室以及地面燃气轮机等装置当中,会对结构引起很严重的破坏。本文总结了当前关于燃烧不稳定问题的机理以及控制方法的研究进展。目前来看,关于燃烧不稳定的机理研究方面,包含实验研究以及数值方法研究。实验方面,有rijketube热声不稳定实验,还有模拟真实燃烧室环境的燃烧实验。数值方面的工作,包括线化的热声不稳定模型,以及对火焰进行描述的解析模型和大涡模拟等方面的工作。同时,人们尝试了各种抑制不稳定的方法。控制方法包含两大类,即:主动控制方法以及被动控制方法。主动控制方法在理论研究方面取得了重大成果,然而,由于其实现上需要复杂响应系统、执行机构,因此,距离实际工程应用还很遥远。而被动控制方法,例如,亥姆赫兹共振腔,以及穿孔板等装置,在工程上得到了很好的应用。

液氧煤油气液同轴直流离心式喷嘴的声学模拟实验研究

气液同轴直流离心式喷嘴对补燃发动机燃烧室高频燃烧稳定性有显著影响。为研究气液同轴直流离心式喷嘴的声学特性,在大气环境条件下进行了单喷嘴声学模拟实验。通过安装在模拟燃烧室外侧的扬声器激发声学振荡,利用声学探针测量燃烧室内的声压,获得了喷嘴长度、节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,确定了喷嘴长度与节流嘴直径的选取原则。

燃气发生器低频非稳态燃烧统计分析

针对冲压发动机地面试验需求,设计燃气发生器,通过试验统计研究其燃烧稳定性特征。结果表明:该燃气发生器发生低频非稳态燃烧的概率为32.7%,存在两种振荡形态。一种存在振荡主频,即低频不稳定燃烧;另一种没有主频,燃烧形态为粗暴燃烧。粗暴燃烧发生概率高且与余氧系数存在较强的相关性,低频不稳定燃烧发生概率低。两种形态的振荡能量分布位置不同。

高频燃烧不稳定性单喷注器燃烧室模拟实验的研究

高频燃烧不稳定性单喷注器燃烧室常压燃烧的模拟实验依据相似理论在大气环境下进行。模拟燃烧室采用与实际燃烧室有相同声学频率的模拟件，喷注器采用实际尺寸喷注器，实验介质为高温富氧空气和蒸气煤油。Ⅱ2=（P。/PF）^0.5（QVo／qvf）作为确定性相似准则，Ⅱ1=v/（Lf）为被确定性相似准则。改变富氧空气流量，调节燃烧室声学振荡和燃烧脉动的相位关系，激励起燃烧室高频不稳定性燃烧。用同轴湍流射流混合流场的经验公式估算燃烧区的特征长度，通过相似准则和燃烧室热力学参数将实验结果换算到实际发动机工况。整套模拟实验系统包括煤油、空气和氧气供应系统，流量控制和测量系统，空气甲烷燃烧器，富氧空气和煤油换热器，模拟燃烧室和喷注器，实验参数采集和处理系统，冷却水供应及控制系统等。发动机实验表明，模拟实验系统和方法是可行的。

液氧/煤油补燃火箭发动机整流栅应用研究

介绍了液氧/煤油补燃火箭发动机整流栅的各种结构,简要叙述了空气吹风模拟试验研究方法与研究结果。利用Fluent软件对燃气弯管内流场进行了数值模拟,分析其流动与压力分布。建立了发动机整流栅声学特性的计算模型,采用变步长四阶龙格-库塔数值逼近方法计算声导纳,并对整流栅抑制高频燃烧不稳定性的机理进行了初步探讨。结果表明,整流栅除了影响燃气入口总压的均匀性之外,还可起到抑制高频燃烧不稳定性的作用。

燃烧室声学特性模拟实验及应用

介绍了补燃循环液体火箭发动机燃烧室声学特性模拟实验原理、方法和在发动机高频燃烧不稳定性研究中的应用。模拟实验系统包括激励源、模拟燃烧室和声学特性测量系统等。激励源为扬声器或者喷嘴气流。模拟燃烧室是依据高频燃烧不稳定性特征设计、与实际燃烧室有相同固有频率的缩尺件。声学特性测量系统包括麦克风、频谱分析仪和示波器等。模拟实验主要用于研究特定燃烧室的声学特性，研究给定燃烧室结构下喷嘴和隔板的优化设计，研究高频燃烧不稳定性的机理。

补燃循环火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性研究

基于经典声学和振动理论,运用流体动力学基本方程描述燃气通道内气体的波动现象,建立了双组元同轴直流离心式气液喷嘴声学特性分析的物理、数学模型,采用四端网络方法进行了计算。对单喷嘴声学模拟试验结果进行了分析。结果表明,所建声学特性分析模型用于分析喷嘴波动过程是可行的;合适的通道长度和节流嘴直径对液氧／煤油补燃循环发动机高频燃烧不稳定性有明显的阻尼作用。

预燃室低频不稳定燃烧仿真研究

为弄清燃烧不稳定性激励机制,建立了氢氧预燃室低频燃烧稳定性分析数学模型,利用MATLAB/SIMULINK集成软件包搭建仿真平台,研究了与供应系统耦合的低频不稳定燃烧。结果表明:在各种不稳定激励因素中,氧的喷注压降对稳定性影响最为显著,当其值低于某一稳定边界时,出现极限环振荡,提高氧的喷注压降可以非常有效地抑制低频不稳定燃烧;当氧的喷注压降位于稳定边界附近时,混合比将对稳定性产生一定影响,降低混合比可以较好地抑制低频不稳定;氢的喷注压降对低频燃烧稳定性影响很小。

大推力液氧煤油补燃发动机高频燃烧不稳定性的控制方法

针对大推力液氧煤油补燃发动机高频燃烧不稳定性问题,讨论了气液同轴式喷嘴、隔板和整流栅等主要控制方法及其控制机理。对喷注单元和隔板进行了声学实验,获得了气喷嘴长度、节流直径以及隔板高度、间隙等结构参数对燃烧室声学特性的影响规律。研究表明,合理设计气液喷嘴和隔板可有效控制高频燃烧不稳定性;对未来重型运载大推力补燃火箭发动机的高频燃烧不稳定性控制方法以隔板和气液喷嘴为主,应采取流强分区、整流栅等技术措施。

增强大推力火箭发动机燃烧稳定性裕度的方法

针对重型运载大推力液体火箭发动机自发激励高频燃烧不稳定性的技术风险,总结和分析了影响大推力液氧煤油火箭发动机燃烧稳定性裕度的因素,主要包括燃烧室声学固有频率、燃烧室结构和喷嘴几何结构。结果表明:发动机喷注器附近的推进剂燃烧区、燃烧室收敛段对燃烧室声学固有频率有较大影响;燃烧室长度为燃烧室直径的0.205倍或0.205的奇数倍时有相对最好的燃烧稳定性;气液同轴式喷嘴长度为燃烧室一阶切向振荡频率的0.5倍时,能传递最大的振荡能量。最后,提出了一种增强燃烧稳定性裕度、避免出现切向振型高频燃烧不稳定性的燃烧室设计方法。

突扩燃烧室低频燃烧不稳定控制方法

为实现对突扩燃烧室低频燃烧不稳定的高效控制,采用实验手段和数值模拟开展了低频燃烧不稳定的控制方法研究。开展了燃料脉冲喷射开环主动控制实验研究,发现燃料脉冲喷射所形成的周期性放热是抑制压强振动的主要原因。这种周期性放热与压强振动反相时会明显削弱压强振荡幅度,所以喷射相位角是影响控制效果的主要因素。对空气喷射控制方式进行了大涡模拟,这种方式能够比较有效地干扰突扩面上大尺度旋涡的形成,起到较好的抑制效果。对燃烧室突扩构型进行改进,开展了被动控制的数值模拟,通过采用台阶突扩面的被动控制方式指出了破坏大尺度旋涡的形成和切断振动能量的正反馈机制是实现燃烧不稳定被动控制的主要途径。

突扩燃烧室低频燃烧不稳定主动控制的大涡模拟仿真(英文)

采用大涡模拟结合多步化学反应模型开展了突扩燃烧室低频燃烧不稳定的主动开环控制方法研究。针对突扩面形成的大尺度旋涡脱落和运动是形成低频燃烧不稳定的主要原因,提出了在突扩截面上放置窄缝进行小流量空气喷射和燃气吸出的方法进行燃烧不稳定的开环主动控制。通过大涡模拟仿真表明,这两种方式都能够比较有效地干扰突扩面上大尺度旋涡的形成和破坏振动能量的正反馈,起到较好的抑制效果,压强振动幅值分别下降了48%和54%。

声腔应用于液体火箭发动机不稳定燃烧抑制中的特性研究

本文针对抑制液体火箭发动机不稳定燃烧的声学装置——赫姆霍兹声腔和四分之一波长管声腔进行了研究。讨论了在声腔设计安排中正确选择声腔的数目，且比较了不同长度声腔的阻尼特性。通过考察声吸收系数的方法来最优化系统的阻尼，得到了可供设计参考的结论。

高频燃烧不稳定性的试验研究方法及面临的挑战

采用特征时间法分析了液体火箭发动机燃烧子过程的响应特性,指出了高频燃烧不稳定性试验研究的重点。介绍了国内外典型的高频燃烧不稳定性模拟实验方法与试验装置,认为推力室声学、低压燃烧不稳定性模拟试验以及喷嘴动力学试验研究是目前指导工程设计的主要途径,高压燃烧过程试验和光学测量技术是未来充分认识其激励机理的关键。

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。

双组元轨控发动机声腔技术方案及试验验证

作为解决小推力双组元发动机高频不稳定燃烧的主要技术途径,本文主要对发动机声腔技术方案进行了研究,研究工作包括发动机结构固有频率分析、声腔型式的选择、声腔结构方案设计及全尺寸热试验证。研究结果表明,发动机主要抑制振型为一阶切向振型和一切一纵复合振型。对发动机的工作稳定性进行了评价,验证了发动机固有频率计算结果并对三种声腔结构方案进行了比较。

高频不稳定燃烧的声学数值仿真

高频不稳定燃烧一直是液体火箭发动机研制过程中所要面临的重大难题之一.采用具有低色散低耗散特点的计算气动声学方法,对自燃推进剂变轨发动机(OME)的高频不稳定燃烧进行时域下的数值仿真.由Crocco的压力时滞模型对燃烧热释放和声波之间的耦合进行模拟,并对不同的时滞模型参数对稳定性结果的影响进行了分析,给出发动机的稳定性极限图,确定一阶切向及一阶径向振型为主的不稳定振型,与地面试车实验捕捉到的不稳定振型相一致.结果表明:采用计算气动声学方法对带有Crocco压力时滞模型的声波扰动方程进行时域下的数值求解,可以对发动机的高频不稳定燃烧进行成功地预测.

高频燃烧不稳定性全尺寸头部燃烧室低压燃烧模拟实验的原理及实现

高频燃烧不稳定性一直是液体火箭发动机研制中最困难问题之一,模拟实验是有理论和实际意义的研究方法。全尺寸头部燃烧室低压燃烧模拟实验采用实际燃烧室的头部和身部,用高温空气和气态燃料作介质,在较低的燃烧室压力下进行模拟实验。依据相似理论,选择被确定性相似准则和确定性相似准则,通过改变空气流量、温度、气态燃料的流量以及燃烧室喉部调节锥位置而改变燃烧室声学振荡和燃烧脉动的相位关系,激励起燃烧室高频不稳定性燃烧。通过相似准则和燃烧室热力参数将实验结果换算到实际发动机工况。整套模拟实验系统包括空气加热器、换热器、燃料蒸发器、模拟燃烧室、空气和燃料供应及控制系统、实验参数采集和处理系统、冷却水供应及控制系统等。系统可用于研究特定燃烧室的高频燃烧不稳定性裕度、抗脉动装置的效果、不同喷注器排列方案的相对优劣以及发动机启动阶段的工作特性。

突扩燃烧室低频燃烧不稳定主动控制实验研究

采用实验手段,开展了突扩燃烧室低频燃烧不稳定主动控制方法研究。进行了燃料脉冲喷射开环主动控制实验,发现燃料脉冲喷射所形成的周期性放热与压强振动反相时会明显削弱压强振动幅度,喷射相位角和占空比是影响控制效果的重要因素。通过调节参数实验,确定了较优的控制参数范围。建立了具有反馈的自适应闭环控制策略,通过实验验证了闭环主动控制是一种能有效抑制突扩燃烧室低频燃烧不稳定的方法。