模型超燃冲压发动机内着火过程分析

在燃烧室入口来流为Ma=2.64、T0=1483K、P0＝1.65MPa、T=724K、P=76.3kPa条件下,采用高速摄影和连续激光高速纹影对等截面型开窗燃烧室内氢气射流自燃过程、火花塞点燃氢气过程和引导氢气火焰点燃煤油过程进行了观测,获得了燃烧室内着火过程中火焰和流场波系结构的动态演化过程;观察到了初始火焰区首先起始于燃烧室下游,并逆流传播实现发动机着火的过程;分析表明燃料能否着火、以及着火位置与燃料着火时间、燃烧室流速和火焰稳定器安装情况相关,多火焰稳定区延长了燃料驻留时间,使燃料更容易着火。关键词 超燃冲压发动机,点火过程,火焰传播,火焰稳定器      

超燃冲压发动机燃烧流场及火焰稳定初步研究

采用壁面燃料喷射并结合凹槽设施作为火焰稳定器是超燃冲压发动机设计的理想方案,本文采用非定常数值模拟研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯的火焰稳定过程。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K、静压0.1MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为2ms;当凹槽内喷油当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹和凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽内喷油当量比为0.315时,火焰稳定模式完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.05时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.2时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。     

碳氢燃料超声速燃烧分区实验研究

高保真度空天发动机数值模拟通常基于快速化学反应火焰面假设,即超声速燃烧反应的特征尺度小于湍流Kolmgorov尺度,该模型方法对于氢气燃料仿真计算结果较好,但对于乙烯等碳氢燃料仍需进一步研究.受限于极端环境特种非接触测量技术,目前尚未见超声速燃烧火焰分区判别的实验研究,导致目前超声速燃烧火焰面模型适用性以及分区燃烧物理模型认识不清,进而也制约了数值发动机技术发展.本工作基于自主研发的MHz发动机内窥光纤传感器,针对单边扩张双模态冲压发动机超声速燃烧火焰分区开展实验研究,通过化学自发光信号的最小香农熵定义超声速燃烧的特征时间τsc,根据理论方法和来流工况估算了超声速燃烧的流动特征时间,结合分区燃烧理论分析了双模态超燃冲压发动机内碳氢燃料燃烧的分区情况.通过燃烧分区情况以及与泰勒尺度的比较结果,验证了碳氢燃料超燃冲压发动机典型飞行条件下燃烧室内超声速燃烧处于旋涡小火焰区域(Re?50 000; Da∈1.80～2.60, B区),多尺度湍流涡结构发挥重要作用,并随着相对于泰勒尺度的不同大小,分别对应了不同尺度的涡结构主导该过程.同时给出了当量比、通量比以及来流马赫数对燃烧特征时间的影响规律...     

富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展

燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章综述了近20年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性实验及数值模拟的研究进展,介绍了包含燃料氢含量、来流温度及工作压力等参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡和微混燃烧器等对回火特性影响的研究成果,现有研究表明,边界层内火焰传播速度超过来流速度是造成回火的主要因素,控制来流速度、来流温度、改变局部燃料浓度可以克服或者减缓回火.根据目前的研究现状和发展动态,对未来的研究方向进行了展望.     

乙烯燃料超燃燃烧室流动特性与燃烧稳定性研究

在低飞行马赫数条件下,乙烯燃料超燃冲压发动机为实现成功点火及稳定燃烧,常使用先锋氢引燃乙烯,本文通过试验研究了多种喷注方案下的超燃燃烧室流动特性、火焰传播特性及燃烧稳定性,喷注方案包括单先锋氢、单乙烯和组合喷注方式.超燃燃烧室入口马赫数为2.0,总温为953 K,总压为0.82 MPa.多种非接触光学测量手段被应用于超...     

半封闭空间明火引燃油气特性实验

为研究明火引燃油气着火爆炸特性,建立了半封闭着火爆炸实验平台。通过高速摄影仪拍摄的火焰图像,研究不同油气体积分数下的火焰传播特性。根据高频压力传感器采集的容器内压力变化情况,分析不同油气体积分数下的压力发展特性。结果表明,油气体积分数对火焰组分、火焰传播速度、压力和压力变化速率有显著影响;火焰具有明显的分区现象,可分为燃烧核和火焰阵面,并且纵向火焰阵面速度大于横向火焰阵面速度;容器内压力发展历程可分为4个阶段,而且会形成压力双峰现象;油气爆炸过程中,火焰结构与压力波形成了强烈的耦合作用。     

微小空间内丙烷/空气火焰传播特性与加氢爆燃实验

在内径150 mm的圆盘狭缝微型燃烧室内,实验探讨了在常温常压下,不同当量比的丙烷/空气预混气以及掺氢的丙烷/空气混合气在电火花点火后向外传播的特性,通过高速摄影方法获得了在狭缝间距为2.0、2.5、3.0、5.0 mm时微燃烧室内的火焰传播形态。实验中观察到火焰传播存在光滑、皱褶和断裂三种火焰锋面形态。当量比的增加和狭缝间距的减小会使火焰更容易发生褶皱。随着火焰的传播,火焰半径逐渐增大,火焰传播速度整体呈下降趋势。火焰传播速度随着间距的减小先增大后减小,在间距3 mm时最大。因为壁面散热的影响,微尺度效应在降低火焰传播速度和增加火焰不稳定性方面具有重要作用。掺入氢气能提高预混气的火焰传播速度,在间距2.5 mm的微燃烧腔中还观察到了爆燃现象。     

耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测

通过揭示当量比对氢气云爆炸火焰形态、火焰半径和爆炸超压峰值的影响规律,本文拟建立耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测模型。结果表明:氢气云爆炸火焰传播速度由大至小对应的当量比依次是Φ=2.0、Φ=1.0和Φ=0.8。Le＜1.0和Le＞1.0的氢气云爆炸火焰表面均出现胞格结构,胞格结构的出现必然会增加火焰燃烧表面积,进而出现“火焰自加速”现象。对于特定的当量比,随着压力监测点和点火位置间距的增加,爆炸超压峰值的正值和负值绝对值均单调减小;对于特定的压力监测点,爆炸超压峰值的正值和负值绝对值随当量比的关系存在些许差异;不同当量比和监测点位置的爆炸超压峰值的负值绝对值大都高于正值。耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测模型可成功预测不同压力监测点薄膜破裂前氢气云爆炸超压的发展过程。     

障碍物对甲烷/氢气爆炸特性的影响

通过自主搭建的小尺寸实验平台,研究管道内障碍物阻塞率及形状对当量比为1时甲烷/氢气爆炸特性的影响。研究结果表明:相同工况下火焰传播结构基本相似,预混火焰传播路径随障碍物阻塞率增大而变窄;预混火焰传播速度随着障碍物阻塞率与氢气体积分数的增大而上升,也随着障碍物形状的改变而产生变化;最大爆炸超压随着障碍物阻塞率和氢气体积分数的增大而增大,达到最大爆炸超压的时间随着阻塞率的增大而缩短;混合气体在管道内爆炸特性受障碍物与混合气体中氢气体积分数共同影响,氢气体积分数小于50%时,受障碍物与混合气体共同影响,氢气体积分数大于50%时,主要受混合气体燃烧特性影响。此研究能够为甲烷/氢气的安全利用提供理论基础。     

燃烧轻气炮多级渐扩型燃烧室流场特性数值研究

为了分析多级渐扩型燃烧室结构对燃烧轻气炮氢氧燃烧特性的影响, 通过计算流体力学方法, 分别对采用传统圆柱型燃烧室和多级渐扩型燃烧室的燃烧轻气炮氢氧燃烧发射过程进行数值模拟。对比结果表明, 多级渐扩型燃烧室结构能够明显地减小燃烧室压力波动幅度, 提高氢氧燃烧稳定性; 多级渐扩型燃烧室内形成回流区, 可以减小气流轴向运动速度; 火焰扩展形态与渐扩型结构相吻合, 燃烧反应区表面变化平稳; 多级渐扩型燃烧室结构对氢氧火焰传播过程和压力波动现象有着重要影响。     

考虑自然对流的某固体火箭发动机慢速烤燃特性数值分析

针对某高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)推进剂固体火箭发动机,采用两步总包反应描述AP/HTPB 的烤燃过程,建立了考虑发动机空腔自然对流的二维轴对称烤燃模型,对加热速率分别为 3.6、7.2 和10.8 K/h 时火箭发动机的慢速烤燃行为进行了数值预测,研究了该火箭发动机的热安全性问题。结果表明,固体火箭发动机空腔内的自然对流对 AP/HTPB 推进剂的着火温度、着火延迟期和着火位置有一定影响,在热安全性精确分析中不可忽略。3种加热速率下,AP/HTPB 推进剂的最初着火位置均出现在药柱肩部的环形区域内,3种加热速率对应的着火延迟期、着火温度及着火时壳体温度分别为30.71、20.06、18.68 h,526.52、528.10、530.64 K,和479.56、496.82、508.77 K。随着加热速率的增大,烤燃响应区域向推进剂与绝热层交界处移动,着火位置的二维截面由椭圆形变为半椭圆形。     

超燃冲压发动机燃烧模态转换试验研究

在模拟飞行高度为25 km、来流马赫数为6的情况下,采用试验研究的方法对超燃冲压发动机燃烧模态转换进行了直连式试验。根据燃烧室壁面压力分布和一维模型分析表明,燃料喷射位置和当量比的动态改变,实现了燃烧室内燃烧模态的动态转换。不同燃料喷射位置切换顺序比较表明,燃烧室内燃烧状态的改变受燃料分布所决定,但是燃烧室自身具有一定的抗波动能力。     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率,近年来引起人们的关注。其中,点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的,本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法,并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明,燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显,它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法,本文对燃烧室初始流速为360 m/s,喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰,得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s,频率为5 347.6 Hz。此外,燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标,文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

高压氢气泄漏自燃形成喷射火的实验研究

为了探究高压氢气泄漏发生自燃时所需的临界初始释放压力随管道长度的变化规律,了解管内自燃火焰向管外喷射火焰转变的发展过程,本文利用压力、光电以及高速摄像等测试系统展开实验研究。实验结果表明:当管道长度相同,初始释放压力较低时,氢气泄漏不容易发生自燃;随着管道长度的增加,氢气发生自燃时的临界初始释放压力先缓慢减小后迅速增大;当管道长度一定时,初始释放压力越大,激波传播速度越快,氢气管内自燃的位置距离爆破片越近;气流通过激波马赫盘后,火焰燃烧加剧;随着时间的增加,火焰长度呈现先增大后逐渐减小的变化趋势,喷射火焰尖端的平均传播速度逐渐减小;火焰宽度呈现先增大后迅速减小至稳定值的变化规律。     

斜爆轰发动机的推力性能理论分析

爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点. 斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织, 在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位. 以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等, 缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析. 本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解, 建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型. 在斜爆轰波系研究成果的基础上, 选取了过驱动斜爆轰、Chapman?Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程, 并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响. 此外, 还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律, 发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素. 最后, 结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果, 提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向.      

基于子循环-预测校正的三维SRM点火瞬态流固耦合数值模拟

为了分析固体火箭发动机点火瞬态工作过程,通过采用基于子循环-预测校正的紧祸合算法,研究高效的耦合器耦合计算流体动力学代码及计算结构动力学代码,对某翼柱型装药固体火箭发动机点火瞬态进行数值模拟,结果表明:翼柱型发动机点火过程中,尾部药柱壁面最开始点燃,同时火焰快速向翼槽和头部传播,翼段是最容易发生破坏的地方;紧耦合算法能...     

基于动态分区概念的高超声速燃烧大涡模拟

本文基于动态分区概念开展了亿级网格的高马赫数全尺寸超燃冲压发动机内外流耦合一体化改进延迟分离涡(IDDES)模拟研究. 研究建立了包括动态分区火焰面湍流燃烧模型(DZFM)、分区自适应化学(Z-DAC)和分区并行自适应建表(Z-ISAT)的完整动态分区燃烧模拟框架, 并通过1.15亿网格的马赫数12 REST标准高超声速燃烧室模型初步验证了分区模拟框架的保真性. DZFM通过分区解耦的思想既准确表征了当地湍流化学交互作用关系, 又有效提升了整场湍流燃烧的计算效率. Z-DAC和Z-ISAT通过在分区框架内对化学反应机理进行动态实时简化和建表查询, 可进一步提升当前分区内化学反应的求解效率. 基于1.25和1.4亿网格动态分区框架对比分析了马赫数10条件下中心支板(strut)和壁面撑挡型(pylon)两类构型氢气高超声速燃烧室特性. 支板或撑挡结构均诱发了明显的边界层分离和头部回流区, 由此两种燃烧室均出现了较长区域的喷注点前部燃烧现象. 基于Borghi图的数值分析表明当前氢气高超声速燃烧室中广泛存在扩散控制为主的火焰面模式, 效率提升的瓶颈在于高效增混. 壁面撑挡燃烧室具有较高的穿透深度和近场混合效率, 因而燃烧效率高于净推力准则80%, 相应的比冲1234 s也远高于中心支板燃烧室的437 s. 分区自适应化学方法在将近一半的计算域上降低了反应求解计算代价, 特别是在无燃料区反应机理的简化幅度更加明显. 相比与传统的有限速率PaSR模型, DZFM模型实现了高达11倍的加速比.      

高速气流中横向液体射流雾化研究进展

在涡轮燃烧室和以液态碳氢燃料为工质的超燃冲压发动机中,高速气流中横向液体射流雾化是一个重要而复杂的过程.雾化过程进行的好坏直接关系到燃料的掺混和燃烧,进而影响发动机的性能. 针对高速气流中横向射流雾化的特点,对现阶段的实验和数值模拟研究进展进行了综述.实验方面结合国内外现状,阐明了一次、二次雾化的机理和雾化过程中的波现象,对穿透深度的确定方法及其影响因素进行了概括总结,分析了气液混合区的结构性质, 并列举和分析了常用的测量手段.数值模型研究介绍了现阶段的一次雾化和二次雾化常用的计算模型.最后提出了存在的问题和未来的研究方向.      

钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近.     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明:在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。