KIVA程序在波瓣混合器混合流场数值模拟中的应用

以KIVA程序为研究平台,分别采用标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型,对现代航空发动机中常用的波瓣混合器流场进行了三维数值模拟。通过与实验测量数据对比可知,基于ALE法KIVA程序能够较好地描述波瓣混合器中流向涡系以及正交涡系形状以及涡量随流动的变化规律,与实验结果较为吻合。在湍流模型方面,标准k-ε模型在流向涡以及正交涡涡量大小的描述方面较RNGk-ε模型更为精确。

空气涡轮火箭发动机内外涵气流掺混研究

通过无化学反应、均匀进气条件下肼单组元空气涡轮火箭发动机混流燃烧室内流场的数值计算,得到了流向涡与正交涡系产生、衰减演变过程及其对内外涵气流掺混效率的影响规律。结果表明,大尺度阵列二次环流诱导形成的流向涡对内外涵气流掺混起主导作用,大波瓣穿透率的斜切波瓣混流器的综合性能较优。结合热试车结果,分析了包括波瓣混流器在内的两类掺混方案的强化掺混效率。分析表明,非均匀进气条件对小尺寸空气涡轮火箭发动机掺混燃烧效率影响很大。

空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究进展

在混流燃烧室内组织富燃燃气与空气的高效稳定掺混燃烧对于空气涡轮火箭发动机(ATR)性能至关重要。回顾了国外各研究机构关于ATR掺混燃烧方案的试验研究,对波瓣混流器在航空领域强化内、外涵气流掺混中的典型应用及研究成果进行总结评述,总结并提出ATR掺混燃烧的特点和关键问题,分析了后续掺混燃烧研究中需重点关注的问题。

波瓣混合器混合流场中涡结构的数值研究

以FLUENT程序为研究平台,分别采用标准k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε、SST k-ω以及S-A五种湍流模型,对航空发动机混合排气系统中常用的波瓣混合器的流场,进行了三维数值模拟。与实验测量数据对比可知,所采用的计算方法能够较好地描述波瓣混合器复杂流场中流向涡、正交涡形状以及涡量沿流动方向的变化规律。在各种湍流模型中,Realizable k-ε在流向涡以及正交涡涡量大小的描述方面较其他模型更为精确。

碳氢燃料流向涡掺混超燃模型燃烧室冷态流场数值研究

对一种超声速燃烧模型燃烧室的冷态流场进行了数值研究。为稳定超燃火焰并提高燃烧速率和效率,取少量的冲压空气进行稳定的亚燃预燃烧,并以之作为超燃室的一个稳定火炬,其高温燃气将吸热型碳氢燃料预先蒸发汽化并部分裂解为短链小分子,最后通过城墙波瓣掺混器形成的流向涡带入超声速主流,以期实现快速高效的超燃燃烧。计算结果表明:首先,城墙波瓣掺混器能够在较小总压损失下得到显著掺混效果;其次,本文从气动结构的角度专门探究了亚/超燃接力阶段较低的隔离段进口马赫数存在热堵塞的可能性,发现较难适宜超燃启动点火。

马赫数2.5超燃室中超/亚声流流向涡掺混冷态流场数值研究

结合实验,对一种带亚声速预燃室和流向涡掺混器的超声速燃烧模型燃烧室,在其进口马赫数为2.5的来流条件下,进行了冷态流场的数值研究。计算与实验得到的燃烧室沿程压力分布相当一致,计算与实验得到的激波结构也基本吻合。计算结果表明:首先,在马赫数2.5的来流条件下,亚燃预燃室易于达到启动状态;其次,流向涡掺混器增强超/亚声速流之间的掺混的效果明显,但其掺混深度尚有限;最后,流向涡掺混的超燃室掺混段有着复杂的激波膨胀波波系,波涡干涉和激波附面层干涉结构。

椭圆形切扇修形对波瓣混合器掺混性能影响

在保证面积不变的情况下,选取不同的长轴、短轴,对波瓣混合器进行椭圆形切扇修形,研究切口深度与宽度对波瓣混合器掺混性能的影响规律。使用商用CFD软件对流场进行数值模拟。结果显示,对波瓣侧壁进行切扇处理会加强流向涡的强度,切扇越深,流向涡强度越大;切扇波瓣流向涡的耗散速率要大于基准波瓣混合器的流向涡耗散速率,预示着更为高效的掺混;引射系数与切口深度成正比,而总压恢复系数与切口深度成反比。考察了两种衡量热混合效率的模型并对其信度进行了比较,发现在x=0.4 m之前切扇可以提高热混合效率,而在x=0.4 m之后,基准波瓣混合器热混合效率要大于切扇波瓣混合器。

尾缘凹扇及综合修形对波瓣混合器性能影响

建立了某实用的尾缘凹扇和综合修形波瓣混合器流场数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了尾缘凹扇以及综合修形对波瓣混合器流场、热混合效率和总压恢复系数的影响规律.结果表明:凹扇修形热混合效率随切除大小的增大而减小,总压恢复系数随切除大小的增大而增加;在所研究的尾缘综合修形模型中,凹扇半切模型混合效率高,总压损失小,综合性能最好.

多级波瓣引射混合器气动性能数值研究

通过三维CFD计算,研究了在特定混合管长径比和截面比下,单、双级波瓣引射混合器性能随基本结构参数变化的规律和差异.研究结果表明:双级波瓣引射混合器的引射系数随波瓣扩张角和主流速度的增加而增加,双级波瓣引射混合器的第1级引射系数要高于单级波瓣引射混合器,且总引射系数比单级波瓣引射混合器高出100%;主流流速增加,流向涡强度和速度环量相应增大;单级波瓣引射混合器沿程流向涡峰值强度不断减弱,但速度环量先增加后减小;双级波瓣引射混合器沿程流向涡强度和速度环量则同时逐渐减小,且在1级引射中减小速度要快些;由于主流速度增加或扩张角增大造成的主流过早附壁使得热混合效率减小;尽管双级波瓣引射混合器混合管内热混合效率增加放缓,但与单级波瓣引射混合器相比,混合管出口处热混合效率还是有6%的增加.

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

为研究飞行马赫数Maflight=4～7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285K、总压为1.5×106 Pa和1.0×1.06 Pa,燃烧室进口马赫数Mainlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。

接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响

通过对波瓣混合器的数值计算,研究了接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响.计算结果表明:主次流的接触面积越大,波瓣混合器的引射性能就越好,引射比随波瓣周长比的增加而线性递增.同时,流向涡的强度越大,波瓣混合器的引射比也越大,引射比随量纲一流向涡强度的增加而先快后慢增加,两者之间是指数的关系.当波瓣张角未导致气流分离时,主喷管出口的流向涡角动能随波瓣张角的增加而先慢后快增加,两者之间是抛物线的关系.而且,波瓣张角的增大不仅可以增加流向涡的涡量,还可以扩大流向涡的分布区域.