航空发动机燃烧室光学可视模型试验件及其流场测量研究进展

航空发动机燃烧室内的燃烧组织是高温高压受限空间内多级旋流复杂流场结构的气动、燃油雾化、蒸发、油气混合和燃烧化学反应多场耦合过程,而其流场特性影响雾化和燃烧过程,从而对燃烧室的燃烧性能具有决定性影响。对燃烧室内复杂强旋流流场组织机理的认识和高精度测试一直是发动机燃烧室研制过程中的难点之一。本文针对光学可视模型燃烧室试验件设计方法及典型发动机燃烧室的流场组织机理和特性进行总结,希望给发动机燃烧室研制过程中光学模型燃烧室试验件的设计提供一定的借鉴,深刻认识目前两类典型的传统旋流杯模型燃烧室和基于分区分级耦合燃烧技术的新型燃烧室的流场特性,促进航空发动机燃烧室的研制。

轴向旋流器单通道甲烷/空气回火特征大涡模拟研究

为了研究轴向旋流器叶片单通道间的回火特征,采用大涡模拟方法对旋流器叶片吸力面侧和压力面侧点火后火焰面的发展过程进行了比较研究。结果表明:纯流动下,吸力面侧有回流区,压力面侧无回流区;吸力面侧点火后,火焰面随吸力面侧的回流区向上游发展;压力面侧点火后,压力面侧不会回火,但是会引燃吸力面侧,进而回到吸力面侧回火模式;火焰面传递的关键位置为内壁面或叶片尾缘。

湍流燃烧模拟中化学反应的加速算法研究进展

为研究湍流燃烧数值模拟中化学反应机理计算的加速方法,讨论了动态自适应化学(Dynamic Adaptive Chemistry,DAC)方法和Krylov子空间近似的指数格式的应用情况。在湍流火焰大涡模拟中,使用DAC简化可以加速化学反应计算。然而,在并行燃烧数值模拟中,处理器核心的负载极度不平衡,加速效果有限。而Krylov子空间近似的指数格式的加速效果可以作用于每个处理器核心,更有利于整体计算效率的提高。在同等精度下,相比于隐式格式耦合DAC和MTS加速方法,Krylov子空间近似的指数积分格式对化学反应计算的加速效果更为显著。

典型弱浮力环境下导线绝缘层的着火先期特性

根据实践十号(SJ-10)科学卫星导线特性箱有效载荷的地面低压模拟实验,通过搭建低压微重力模拟实验台,研究了典型低压弱浮力(3kPa)环境下不同绝缘层种类、厚度和过载电流对导线绝缘层着火先期特性的影响.实验获得了导线绝缘层着火先期的温升特性和烟气析出特性,并根据对比常压(1 atm)下绝缘层着火先期特性的结果,初步预测了微重力条件下卫星在轨飞行绝缘层的着火先期特性,低压实验结果为SJ-10卫星空间实验工况优选提供了重要依据.

微重力下层流扩散火焰碳烟生成过程

根据详细的燃料氧化机理和多环芳烃生成机理,对乙烯同轴射流火焰在重力变化下碳烟生成情况进行计算.认为碳烟的初始成核是由两个较大的多环芳烃(PAH)二聚而成,碳烟的表面生长机理为HACA,凝结过程主要考虑PAH与碳烟的碰撞吸附,碳烟生长和氧化过程耦合在分节气溶胶模型中.计算结果表明,微重力条件下乙烯同轴射流火焰峰值温度下降230 K,碳烟浓度显著增加,且浓度峰值在微重力条件下更加偏离中心线.分析重力变化对碳烟前驱体乙炔和多环芳烃的分布、初始成核速率、表面生长速率及凝结速率的影响.结果表明碳烟在中心轴线上主要是通过凝结过程生成的,且微重力条件下PAH在碳烟表面的凝结更加重要,由于微重力条件下停留时间更长,导致碳烟直径更大.

水星50对我国航改燃气轮机发展的启示

本文概述了我国航改燃气轮机的发展历程及现状,介绍了国际先进的燃气轮机水星50(Mercury50),借鉴水星50回热循环的设计理念,提出了基于我国退役航空发动机采用回热循环开发高性能航改燃气轮机的构想。针对回热循环方案,分析了压比和涡轮前温度等参数对燃气轮机性能的影响,初步探讨了我国开发高性能航改燃气轮机的策略和关键技术。

燃烧特征参数对MICSE性能及热力过程的影响

本文建立了微型摆式发动机(MICSE)热力循环分析的零维数学模型,研究了点火提前系数k及燃烧持续时间τ_b对MICSE性能及其腔内热力过程的影响。结果表明减少τ_b或增加k,可使热力过程中的温度及压力更快地达到峰值。当k一定时,τ_b越大,温度峰值越低。对于τ_b较小的燃料,k越大,压力峰值越低.而对于τ_b较大的燃料,k值变化几乎不影响压力峰值的变化。使用τ_b较小的燃料时,k越大,发动机功率和效率越低.而使用τ_b较大的燃料时,k存在最优值,使发动机功率与效率最大。

微小流量喷嘴雾化特性实验方法

针对在准确测量微小流量喷嘴雾化特性方面存在的困难,建立了一套喷雾实验系统和测量研究方法。采用容积法测量喷嘴流量特性,利用主动轮廓算法(Active Contour Model:ACM)捕捉喷雾边界,提取雾化锥角。另外结合激光粒度仪完成了雾滴尺寸及其分布特性的实验研究。容积法克服了因流量小引起的测量误差,且测量成本低。ACM方法从原理上保证了提取边界结果的唯一性和最佳可信度,消除了阈值法,尤其是直接量取法所包含的主观因素,提高了实验结果的准确度。

SJ-10卫星导线特性箱实验装置研制

为了研究微重力条件下导线绝缘层着火先期征兆和着火早期烟的析出和烟气流动规律,研制了SJ-10卫星导线特性箱有效载荷实验装置。该装置可实现对导线的恒流过载加热,并采用先进的测试技术,获得导线着火先期征兆和烟气浓度分布。地面验证实验表明,该装置安全可靠,同时能充分利用空间实验能力,保障科学目标的实现。

窄通道内导线绝缘层着火先期特性的研究

利用窄通道提供的弱浮力环境,研究了通道高度对导线绝缘层及其附近流场的温升特性、导线绝缘层着火前期的烟气流动规律和着火延迟时间等导线绝缘层着火先期特性的影响.实验结果表明10～15mm窄通道内的实验可以有效地抑制浮力作用,提供了一种模拟微重力环境下导线绝缘层着火先期特性的有效方法.

基于主动轮廓方法提取雾化锥角

基于主动轮廓方法(ACM)原理,将ACM延伸开发应用到雾化锥角的测量领域.经过调试,ACM成功捕捉到了雾锥边界以及喷雾矩在喷口后一定位置处出现的收缩特征,准确地获得了雾化锥角.验证结果显示:ACM获得的雾化锥角数值与阴影法测量值之间的相对误差小于1.5%.基于ACM提取雾化锥角方法的应用可以在保证实验结果准确度的同时降低工程应用成本.

对转压气机外伸激波对叶顶泄漏流影响

为了揭示对转压气机下游转子外伸激波对上游转子泄漏流的影响规律,针对上游转子叶顶间隙分别为0.2、0.5、0.8mm的对转压气机开展了非定常数值模拟研究。研究发现:受下游转子外伸激波掠扫影响,上游转子尾缘附近压力面会形成弱压缩波,且随上游转子泄漏流增强而逐渐减弱;而该外伸激波在上游转子尾缘附近吸力面,会形成与型线切向相垂直的较强压缩波,且其位置基本不受叶顶间隙大小影响;外伸激波使上游转子尾缘附近吸、压力面压差增大,叶顶泄漏流增强,进而导致其损失增大;随着叶顶间隙增大,上游转子叶尖区弦长前半段压力波动的频率,由通道激波转为叶顶泄漏流主导,且呈现减小的趋势,而弦长后半段压力波动的频率主要由外伸激波主导,且基本不变。

不平衡激励作用下周向加肋机匣振动能量传递机理

为了研究周向加肋机匣对整机振动的抑制机理,采用有限元法建立了加肋机匣-支承-转子耦合结构,结合振动功率流法分析了在转子不平衡激励作用下周向加肋机匣中的振动能量传递机理。结果表明:机匣周向加肋筋诱导出的能量涡流场能够分流和耗散掉部分由转子传递至机匣的振动能量;机匣周向加肋筋改变了振动能量的传递路径,减小了机匣与支板连接处振动能量的回流现象;振动能量传递到机匣周向加肋筋后发生传递波波形的转换,携带大部分振动能量的弯曲波转换为纵波并沿加肋筋周向传递,阻断振动能量沿轴向传递至整机其他部位。研究结果可为航空发动机结构设计以及整机减振提供参考。