新型液体火箭发动机燃烧不稳定性研究

应用CFD方法对新型液体火箭发动机燃烧过程进行全尺寸数值模拟。首次有针对性地系统得出了混合比、液氧喷雾初始尺寸分布、缩进区液氧蒸发质量对氢氧火箭发动机燃烧振荡的影响规律,评估了1轮毂3径向喷嘴隔板抑制燃烧振荡的效果,并对氢氧、液氧/甲烷两种火箭发动机的燃烧不稳定性特征进行了对比分析。结果表明:存在某一特定的混合比、喷雾液滴直径、缩进区液氧蒸发质量敏感区间,易导致不稳定燃烧;喷嘴轮毂隔板可很好地抑制燃烧振荡;氢氧、液氧/甲烷燃烧分别以高频和低频压力振荡为主。     

液体火箭发动机液氧箱与预冷回路的耦合计算模型

建立了液体火箭发动机的液氧贮箱与底部预冷回路的数值计算耦合模型,模拟了地面停放过程中贮箱与底部预冷回路的三维非稳态两相流动与传热过程,分析了自然循环预冷条件下液氧贮箱和底部预冷回路中的三维物理场分布及随时间变化规律。结果表明:随着停放时间的增加,液氧的蒸发量增加,停放中后期贮箱内的热传递基本趋于稳定。回流管内的气化导致回流口处的温度一直呈现波动。     

液氧煤油发动机预冷系统回流管绝热影响分析

低温液体火箭发动机循环预冷受多因素影响,针对液氧煤油发动机自然循环系统回流管绝热条件对预冷效果的影响进行理论分析和试验研究,得到了有意义的数据和结论,对后续型号自然循环预冷系统设计提供了依据.     

液体火箭燃烧不稳定性主动控制数值仿真

基于压力隐式算子分割(PISO)算法,通过求解Navier-Stokes方程,对煤油/气氧/气氢三组元火箭发动机两相燃烧进行了数值仿真,得到了燃烧自激振荡的仿真结果;根据燃烧室压力变化,通过实时调节推进剂流量,对液体火箭发动机燃烧不稳定进行主动控制.仿真结果表明:对液体火箭发动机不稳定燃烧进行主动控制是可行的;通过调节推进剂流量的3%就可以抑制燃烧不稳定.     

液体火箭发动机中声腔抑制不稳定燃烧的声学分析

发展了声腔的分析和数值模型,对液体火箭发动机不稳定燃烧的抑制作用进行了评定,通过迭代计算研究了二维流动和温度分布变化对声腔调 谐和稳定性能的影响,对不同的声腔几何尺寸和温度梯度的稳定性计算结果表明,燃烧带有较大开口面积的声腔会更大程度地改变振荡的空间分布,这种改变而且影响了驱动和抑制燃烧的机理,讨论了在声腔设计安排中正确选择声腔的几何尺寸,且比较了不同长度和不同直径声腔的阻尼特性,通过考察声吸收系统的方法来最优化系统的阻尼,得到了可供设计参考的结论。     

基于马氏距离的液体火箭发动机稳态过程故障程度评估方法

当前健康管理技术在我国航天领域的发展还未完全成熟,国内针对运载火箭稳态飞行过程的故障检测与评估进行的工作还较少,而未来对于运载火箭牵制释放、动力重构等技术的应用,以及对可重复使用技术的需求,火箭稳态飞行过程的故障检测和评估将是其重要的技术支撑,具有十分重大的意义,因此提出一种基于马氏距离的液体火箭发动机稳态过程故障程度评估方法,并通过采用液体火箭发动机的仿真数据验证了算法的有效性,为运载火箭发动机健康评估技术的发展提供了一定的借鉴作用。     

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。      

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。     

化学反应机理对液氧煤油发动机尾焰红外特性影响研究

提出了一种液氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法,首先采用计算流体力学软件对液氧煤油发动机内流场进行计算,然后以获得喷管喉部截面参数作为入口边界条件计算发动机尾焰流场,最后以发动机尾焰流场参数分布为基础,采用有限体积法对发动机尾焰红外光谱辐射特性和成像特性进行计算,并对比验证了模型和方法的准确性。在此基础上,研究了化学反应机理和复燃反应过程对尾焰红外辐射特性影响。结果表明,采用多步化学反应能够准确模拟液氧煤油发动机内流场,温度相比热力学计算大3.34%,压力相比试车测量大2.89%;考虑复燃反应使尾焰红外辐射强度增强显著,在采用单步化学反应和多步化学反应两种工况下2~5波段红外辐射强度分别增大50%~100%和150%~170%,但不会影响尾焰红外光谱辐射特性和红外总辐射强度随探测角变化趋势;采用单步化学反应和多步化学反应都能够获得清晰结构的红外成像图像,但是前者2~5尾焰红外辐射强度要比后者增大90%~190%,且两种工况下发动机尾焰红外光谱辐射特性差别很大,尾焰红外总辐射强度随探测角变化趋势也不同。     

复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先,使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算;然后,使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量;最后,使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan ⅢB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性,证明了该模型的正确性.最后,利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响,结果表明,复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度,在2.5～3.0 μm和4.2～4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8％和28.3％,所以,在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时,需要考虑复燃的影响.     

Impact of Spray Cone Angle on the Performances of Methane/Diesel RCCI Engine Combustion under Low Load Operating Conditions

The behaviors of spray, in Reactivity Controlled Combustion Ignition (RCCI) dual fuel engine and subsequent emissions formation, are numerically addressed. Five spray cone angles ranging between 5° and 25° with an advanced injection timing of 22° Before Top Dead Center (BTDC) are considered. The objective of this paper is twofold: (a) to enhance engine behaviors in terms of performances and consequent emissions by adjusting spray cone angle and (b) to outcome the exergy efficiency for each case. The simulations are conducted using the Ansys-forte tool. The turbulence model is the Renormalization Group (RNG) K-epsilon, which is selected for its effectiveness in strongly sheared flows. The spray breakup is governed by the hybrid model Kelvin–Helmholtz and Rayleigh–Taylor spray models. A surrogate of n-heptane, which contains 425 species and 3128 reactions, is used for diesel combustion modeling. The obtained results for methane/diesel engine combustion, under low load operating conditions, include the distribution of heat transfer flux, pressure, temperature, Heat Release Rate (HRR), and Sauter Mean Diameter (SMD). An exergy balance analysis is conducted to quantify the engine performances. Output emissions at the outlet of the combustion chamber are also monitored in this work. Investigations show a pressure decrease for a cone angle θ = 5° of roughly 8%, compared to experimental measurement (θ = 10°). A broader cone angle produces a higher mass of NO_x. The optimum spray cone angle, in terms of exergy efficiency, performance, and consequent emissions is found to lie at 15° ≤ θ ≤ 20°.     

液体火箭推力室面板发汗冷却与燃烧耦合数值模拟

对推力室的喷嘴多孔面板的发汗冷却和燃烧室内的燃料燃烧过程进行了耦合数值计算,建立了一个带燃烧的三维、真实气体、变物性的推力室CFD计算模型。利用UDF编写了CH₄、O₂、CO₂、H₂O气体的实际气体状态方程,并根据NIST物性数据拟合了不同温度和压力下各气体的比热容、扩散系数、黏性系数和导热系数等物性多项式。基于EDC模型建立了甲烷-氧燃烧的多步反应机理。计算了三种厚度的面板和多种燃料进口工况下的推力室内的发汗冷却和燃烧过程,研究了面板厚度、冷却剂进出条件等因素对发汗冷却和燃烧过程的影响规律。     

Prediction of Wall Heat Fluxes in a Rocket Engine with Conjugate Heat Transfer Based on Large-Eddy Simulation

Although a lot of research and development has been done to understand and master the major physics involved in cryogenic rocket engines (combustion, feeding systems, heat transfer, stability, efficiency, etc.), the injection system and wall heat transfer remain critical issues due to complex physics, leading to atomization in the subcritical regime and the interactions of hot gases with walls. In such regimes, the fuel is usually injected through a coaxial annulus and triggers the atomization of the central liquid oxidizer jet. This type of injector is often referred to as air-assisted, or coaxial shear, injector, and has been extensively studied experimentally. Including such injection in numerical simulations requires specific models as simulating the atomization process is still out of reach in practical industrial systems. The effect of the injection model on the flame stabilization process and thus on wall heat fluxes is of critical importance when it comes to the design of wall-cooling systems. Indeed, maximizing the heat flux extracted from the chamber can lead to serious gain for the cooling and feeding systems for expander-type feeding cycles where the thermal energy absorbed by the coolant is converted into kinetic energy to drive the turbo-pumps of the feeding system. The methodology proposed in this work to numerically predict the flame topology and associated heat fluxes is based on state-of-the-art methods for turbulent reactive flow field predictions for rocket engines, including liquid injection, combustion model, and wall treatment. For this purpose, high-fidelity Large Eddy Simulation Conjugate Heat Transfer, along with a reduced kinetic mechanism for the prediction of H2/O2 chemistry, liquid injection model LOx sprays, and the use of a specific wall modeling to correctly predict heat flux for large temperature ratio between the bulk flow and the chamber walls, is used. A smooth and a longitudinally ribbed combustor configuration from JAXA are simulated. The coupling strategy ensures a rapid convergence for a limited additional cost compared to a fluid-only simulation, and the wall heat fluxes display a healthy trend compared to the experimental measurements. An increase of heat transfer coherent with the literature is observed when walls are equipped with ribs, compared to smooth walls. The heat transfer enhancement of the ribbed configuration with respect to the smooth walls is coherent with results from the literature, with an increase of around +80% of wall heat flux extracted for the same chamber diameter.     

DMM及纳米颗粒添加剂对农用柴油机燃烧与排放性能的影响

本文通过在柴油中添加小比例二甲氧基甲烷(DMM)以及纳米氧化铝(Al2O3)颗粒研究一台小型农用柴油机的燃烧与排放特性.研究表明,随着柴油中DMM添加比例的增大,发动机燃烧特性参数如缸内压力、燃烧放热率及制动热效率得到明显地提升,着火延迟期以及CA50逐渐减小;排放方面HC和NOx增加,而CO和碳烟得到有效地抑制.燃油...     

原子发射光谱双谱线法测量固体火箭发动机内燃气温度

发展了一种利用原子发射双谱线法，测试固体火箭发动机燃烧室内燃气温度的方法，设计了相应的测试系统。该方法利用石英光学纤维，将固体火箭发动机内高温高压燃气的光谱辐射信号传入测量系统；选用了两条波长间隔小的谱线，大大减少了光谱辐射率，光谱透射率等对光谱测量的影响，设计使用了耐压测量探头，保证在高压，强腐蚀条件下，系统的密封性和光的透过率，对装填有SQ－2推进剂的固体火箭发动机燃烧室内的气流温度进行了在线检测，测量时间分辨率可高达0．5μs。     

高氧气浓度甲烷不稳定燃烧实验研究

采用无回火的急速混合管状燃烧技术,以二氧化碳和氧气的混合气体为氧化剂,基于CH~*自发光高速摄影图像及同步声压曲线,分析氧气浓度β=0.67的甲烷富氧燃烧特性。研究发现当量比0.6~1.0之间的火焰结构呈周期性变化,其频率与燃烧室内声压振荡频率一致,均为高频振荡。分析结果表明,燃烧器内的富氧燃烧振荡模式属于轴向声学共振。混合气体当量比由0.6增至1.0,热释率提高,热释率脉动与声压耦合增强,低频声压幅值减小,高频声压幅值增大,低频振动能量向高频振动能量转变,频谱特性由具有两个特征频率的周期性振荡转变为只有一个高频的周期振荡燃烧。     

大气环境对内燃机热电联供系统性能的影响

根据国家标准GB1105.1-87<内燃机台架性能试验方法标准环境状况及功率、燃油消耗率和机油消耗率的规定>中的等过量空气法,结合内燃机典型变工况解析式及单压过热蒸汽余热锅炉变工况解析解,研究大气条件变化时,系统变工况性能.结果表明,大气压力po减小,内燃机相对输出功率Pe减小,相对燃油消耗率be增加,系统总能利用率Z...