烧蚀支板对超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

为了提高超燃冲压发动机燃烧室的性能,本文提出了燃料喷注支板与烧蚀支板组合的燃烧室新方案,并研究了新方案对超燃冲压发动机燃烧室性能的影响。相比于单燃料喷注支板方式而言,加入烧蚀支板后,虽然燃烧室内的总压恢复系数有所下降,但燃烧室内燃料与空气的混合效率、燃烧效率均有显著提高,燃烧效率的提高弥补了燃烧室内总压损失所带来的机械能损失,使得燃料喷注支板和烧蚀支板组合方式下的燃烧室比冲高于单燃料喷注支板时的比冲。     

超燃冲压发动机推进性能理论分析

超燃冲压发动机的正推力问题和超声速燃烧的稳定性问题是制约超燃冲压发动机发展的两个关键气动物理问题.虽然经过50多年的研究,但是目前国内外对这两个关键问题的机理还没有研究清楚.文章首次将CJ爆轰理论应用于超燃冲压发动机推进性能分析,给出了这两个关键气动问题的理论分析结果.分析结果表明,燃烧室入口空气静温对发动机的推进性能产生重要影响.当爆轰波的爆速大于隔离段内空气来流的速度时,会向隔离段上游传播,导致发动机不起动.飞行Mach数Ma=6~8是超燃发动机的临界不稳定范围,飞行Mach数Ma>9,超声速燃烧将变得稳定.      

氢气发动机气缸注水燃烧的数值模拟

为研究氢气发动机采用进气冲程注水(water injection,WI)的方法对发动机工况的影响,文章采用数值模拟的方法,运用AVL?FIRE软件模拟了嘉陵JH?600发动机使用氢气燃料的燃烧工况,并模拟计算了气缸内部温度、压强、NO排放量等各项参数.分4次进行,分别计算了注水量(水和氢气燃料的质量比)为0,5％,10...     

基于CARS技术的超燃冲压发动机点火过程温度测量

相干anti-Stokes Raman散射（coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS）技术作为一种非接触测量手段,已广泛应用于多种发动机模型燃烧室温度测量及地面试验.然而,目前的工作主要集中在稳态燃烧场温度的测量,缺乏用高分辨率的单脉冲来测量瞬变的燃烧火焰温度及组分浓度的研究.基于CARS理论,结合多参数拟合算法,开发了基于MATLAB的CARS光谱计算和拟合程序CARSCF;利用McKenna平面火焰炉在不同工况下进行了温度测量,并与DLR测量结果进行对比,结果显示开发的CARSCF具有较高的测量重复性和准确性;最后将CARS技术应用于测量超燃冲压发动机点火过程中的温度测量,获取了点火过程中的温度.结果显示,在来流Mach数为3的条件下,H₂/air点火过程中温度呈现急剧上升然后缓慢下降,而CARS信号则呈现急剧上升然后急剧下降随后又缓慢上升的趋势,并且在点火过程中最高温度为1 511 K.      

一种新型的超燃冲压发动机闭式冷却循环

热防护技术是发展高超音速的关键技术之一.为了降低冷却用燃料需求,本文提出了基于闭式Brayton循环的超燃冲压发动机冷却循环,旨在提出一个缓解超燃冲压发动机热防护压力的新方法、新思路,同时可为高超音速飞行器提供足够的电力供应.文中介绍了冷却循环的组成和工作原理,定义了评价冷却循环性能的参数,在考虑系统内、外不可逆性的基础上,完成了系统的性能分析,分析表明该冷却循环可有效地节约冷却用燃料消耗,大幅提升超燃冲压发动机热防护系统性能.     

斜爆轰发动机流动机理分析

为了研究高Mach数超燃冲压发动机和斜爆轰发动机的内流场燃烧流动机理，首先用CJ爆轰理论对超燃冲压发动机的内流场特性进行了理论分析，给出了燃烧室流场的气动规律，理论分析结果与现有实验结果吻合得非常好.其次，根据理论分析结果，提出了高Mach数超燃冲压发动机和斜爆轰发动机的气动设计原则.最后，根据提出的气动设计原则，设计了高Mach数斜爆轰发动机，飞行Mach数为9，对斜激波诱导燃烧机理开展了二维数值模拟研究.数值模拟结果表明，在高Mach数下，斜爆轰发动机燃烧室内可以得到稳定的燃烧流场.      

超音速氢气燃烧火焰结构特性的直接数值模拟

在课题组前期工作的基础上,对一马赫数为1.2的三维超音速氢气射流抬升火焰进行了直接数值模拟研究,其中空间离散采用波带优化的四阶WENO格式,时间积分采用带有TVD性质的三步三阶龙格库塔格式,边界条件采用了无反射特征边界条件,总的计算网格数达到9.75亿。结果表明:超音速射流氢气燃烧火焰可分为根部层流状的高温高热量释放率稳燃区、高度褶皱的湍流剧烈混合区和远场燃烧区。火焰自燃稳燃点出现在喷口附近的x/D=0.86处,对应着最易反应混合分数。在此下游,预混燃烧和扩散燃烧两种模式同时存在,其中在剧烈混合区和远场区火焰以扩散燃烧为主,但在火焰根部的局部区域预混燃烧热量释放率达到35%左右。     

超燃火焰稳定凹腔自激振荡特性的数值研究

对超声速冷流条件下用于超燃冲压发动机的凹腔火焰稳定器的自激振荡特性进行研究.采用混合RANS/LES方法对非定常流场进行数值模拟,考虑了凹腔的长深比和后缘角度两个关键参数.混合RANS/LES方法很好的捕捉到流场非定常大尺度结构并揭示了凹腔自由剪切层的演化过程.对凹腔压力振荡历程进行幅频分析,所得到的频率和理论分析结果与文献计算结果符合的很好.结果表明,凹腔的长深比和后缘角度对凹腔自激振荡特性都有很大的影响.随着凹腔长深比的减小,振荡能量趋于集中到某些频率对应的振荡模式上.随着凹腔后缘倾角的减小,大部分频率对应的振荡很快的被削弱;相对于陡后缘凹腔,小角度后缘凹腔只有较高频率对应的振荡模式存在.     

DMD和POD对超燃冲压发动机凹腔流动的稳定性分析

开式凹腔作为超燃冲压发动机中增加掺混和稳焰的装置, 其流动稳定性的研究对深入理解凹腔增加掺混和稳焰机理以及凹腔的设计有着重要的学术意义和工程应用价值.基于大涡模拟方法对超燃冲压发动机开式凹腔流动进行数值模拟, 分别采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition, DMD)和本征正交分解方法(proper orthogonal decomposition, POD)对自激振荡流动进行稳定性分析. DMD方法可准确提取凹腔的振荡频率, 与Rossiter模型以及压力脉动FFT分析得到的频率吻合较好, 且DMD中对应Rossiter前3阶频率的模态在流动中的主导作用顺序也与FFT分析结果一致, 自激振荡中RossiterⅢ模态占据主导作用, 同时DMD方法对Rossiter 3阶以上模态频率的预测能力明显强于FFT分析方法.在对低频的提取方面, DMD方法比Rossiter模型更具有优势.与前6阶Rossiter模态对应DMD模态均缓慢收敛, 主要表现为剪切层中的分离涡结构和中部及下游区域中的涡结构.前3阶不稳定模态中的分离涡结构主要集中在中部剪切层以及后缘附近区域. POD方法中较少的模态包含流场绝大部分的能量.但是, 通过POD方法提取的模态频率在分辨率上效果不佳, 提取到最低频率为Rossiter 3阶模态对应的频率, 且模态中均存在次频, 次频与主频之间的耦合导致模态的形态相差较大.另外, 与DMD方法相比POD方法无法判断所提取的模态的稳定性.      

发动机喷流对火箭气动特性影响

开展了考虑底部发动机喷流影响的火箭气动特性CFD仿真设计,比较了有/无喷流时火箭附近流场结构、表面压力分布、整体气动力/力矩特性在亚/超声速段的差异,结果显示,发动机喷流对火箭亚声速段的轴向力、法向力和俯仰力矩特性均有较为显著的影响,且有减小尾部空气舵气动控制力矩的影响,而超声速段的影响仅限于轴向力。该仿真结果与飞行试验气动辨识结果较为一致。基于仿真分析结果,可建立一种折中考虑喷流影响的气动特性设计方法,供火箭精细化气动特性设计参考使用。      

Numerical Simulation of MHD Jet Flows

Liquid metal free surface flows （films, jets and droplets） are considered as diverter/ limiter system and first wall in fusion reactor, but the knowledge Of liquid metal free surface under a non-uniform magnetic field is very limited. In this article, the stability of a jet flow under a gradient magnetic field is investigated, and its MHD effects are the top concern. Based on numerical simulation and experimental results, a simplified model is developed to analyze the MHD effects of the jet flow and to explain the reason why it can keep stable under a strong non-uniform magnetic field.     

SPH方法进出口数值边界条件研究

基于虚粒子概念,提出进出口数值边界条件处理方法.在进口边界外设置进口区域,并赋予进口虚粒子相应的物理量;出口边界外设置出口和缓冲区域,出口虚粒子的物理量由计算获得,缓冲区的虚粒子初始物理量是指定的;根据每个时间步的流动情况,改变粒子的区域属性,添加/删除相应的粒子.利用拉格朗日形式的SPH方法,通过管内流动问题验证数值进出口边界方法的适用性,研究进出口边界条件在激波管、绕流问题中的应用.提出的进出口边界处理方法,避免了边界附近流体粒子积分截断问题,保证流体粒子能够流出边界,激波能够透射边界.     

Micronozzle Chocking under Diffusion Combustion of Hydrogen

The results of experimental investigations of the micronozzle-chocking phenomenon under diffusion combustion of a hydrogen microjet at a high outflow velocity in the case of ignition of hydrogen near the nozzle cut are presented. It is found that the cause of micronozzle chocking is the heating of the nozzle walls from the flame-neck region retained up to transonic velocities and preventing nozzle cooling and the passage of the hydrogen jet to the supersonic-flow velocity. It is shown that hydrogen ignition far from the nozzle cut with a developed hydrogen supersonic flow into the flooded space leads to the disappearance of the flameneck region, flame detachment from the nozzle cut, and, correspondingly, termination of the nozzle heating and the possibility of the microjet coming out at the supersonic-flow velocity for the hydrogen jet. It is established that the flame-neck region is a stabilizing factor for the subsonic combustion of a hydrogen microjet up to transonic velocities. In the second case, the presence of supersonic cells stabilizes the supersonic diffusion combustion of the hydrogen microjet.     

激光驱动薄膜产生等离子体射流的条件分析

 以聚乙烯薄膜材料为研究对象,从实验物态方程出发,对强激光驱动薄膜材料时影响激光在薄膜后表面形成等离子体射流的主要因素,包括激光强度、波长、脉宽、气库膜材料及厚度,进行了理论和数值分析。研究表明,到达薄膜后表面的冲击波强度足够高时,能够产生气态或等离子体射流,否则卸载过程仍然为凝聚态;对于聚乙烯材料,形成等离子体射流的基本条件是到达薄膜后表面的冲击波强度达到约80 GPa以上;采用短波长、较高功率密度、较长激光脉宽的激光驱动具有低汽化温度、低电离阈值的薄靶,更容易实现等离子体射流。     

Diffusion Combustion of a Round Hydrogen Microjet at Sub- and Supersonic Jet Velocity

Doklady Physics - The experimental research results on diffusion combustion of a round hydrogen microjet flowing from a slit micronozzle at subsonic and supersonic speeds are presented. For the...     

高焓横向射流尾迹区掺混燃烧的数值特性

尾迹区作为横向射流流场的重要结构受到广泛关注,其掺混和燃烧特性对近壁面区域的流场特性有重要影响.文章在对仿真充分验证的基础上,采用Reynolds平均模拟方法对Ma=8飞行条件下高焓横向射流尾迹区中的掺混和燃烧特性进行了数值研究.探究了冷热流场尾迹区中的氢气掺混特性,冷态流场尾迹区中的激波结构对氢气分布产生一定影响,热态流场尾迹区中存在多种氢气掺混路径.V形回流区中的高浓度氢气对燃烧产生了一定的阻碍作用.定量测量了尾迹区中的火焰结构,尾迹区火焰的顶点位置随高度增加向下游线性移动,受射流主流影响,尾迹区火焰的展向宽度在距离壁面一定高度后开始增大.对冷热流场中的主要参数进行了对比,燃烧消耗了氢气使温度升高,但是尾迹区中的流动速度没有明显增加,燃烧放出的热量没有完全转化为流体的动能.      

不同粒度条件下矿物光谱变化分析

矿物粒度是影响矿物光谱特征的一个重要因素,探索不同粒度下矿物光谱曲线的变化情况以及相同粒度下不同矿物的光谱差异,不仅是高光谱矿物遥感信息识别的关键,也为研究矿物随着粒度变化而产生的光谱差异提供理论基础。利用地物光谱仪对采集的六种矿物进行观测,获取了不同粒度下的反射率光谱曲线,同时生成一阶微分光谱曲线,进而分析了不同粒度下各种矿物的光谱变化特征,对比了相同粒度下不同矿物的光谱差异,探索高光谱遥感识别矿物的可能波段。结果表明：各种矿物的光谱曲线均会随着粒度的改变而产生较大的差异,但变化规律不尽相同,紫苏辉石的整条光谱曲线都会随着粒度的增加而下降,叶蛇纹石、赤铁矿、高岭石、绿泥石的光谱曲线在特定的波长范围内随着粒度的增加而下降,橄榄石的光谱与粒度大小不存在直接的相关性;相同粒度下,不同矿物的光谱反射率在大部分波段范围内差异较大,为实现矿物高精度识别提供了可能;叶蛇纹石、高岭石、绿泥石具有较多的宽度较窄、强度较小的吸收峰,而赤铁矿、橄榄石、紫苏辉石的光谱曲线相对平滑,吸收和反射峰的数量较少。本研究旨在为矿物光谱库的构建以及矿物的高光谱技术识别提供基础数据和理论支撑。     

不同风速下侧向散射激光雷达的回波信号分析

对不同风速条件下,CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理,确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性;进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联,利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系,分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现,当风速范围在1~4.5 m/s时,侧向散射光强随风速的增加而增加;当风速范围在4.5~6.0 m/s时,光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理,得到风速范围在1~4.5 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%;风速范围在4.5~6.0 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%,在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.