基于TDLAS的高温光谱参数测量方法研究

准确测量流场温度有助于了解燃烧机理,提高燃烧效率。论文提出了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的流场检测方法,通过特定组份对激光的吸收精确测量流场温度、组分浓度等信息,可以用于燃烧场分析,实现发动机性能评价等。设计了测量平台,以常见的水分子吸收谱线为研究对象,对测量方法进行了验证。针对目前TDLAS在测量高温时没有精确的光谱参数支撑这一主要问题,改进了现有的测量设备,提高了可测量温度范围,为TDLAS分析高温流场提供了理论基础。     

超燃冲压发动机性能的准二维计算方法

为了能在双模态超燃冲压发动机流道方案初步论证中提供一种较快速的发动机性能计算方法,在二维N-S方程基础上,引入一维完全燃烧计算方法,提出了预估超燃冲压发动机性能的准二维计算方法。该方法能够计入激波、边界层分离等对发动机性能的影响,可在较短时间计算出整机推力、比冲性能和沿程热力学参数。通过对自由射流发动机计算,验证了此方法。并在此基础上,初步分析了燃料喷注位置和流道构型对发动机性能的影响。      

超燃冲压推进系统飞行试验方案

飞行试验是进行超燃冲压发动机研制的必备技术手段,也是超燃冲压发动机技术验证的唯一手段,且贯穿于整个超燃冲压发动机研究过程之中。本文对国外高超声速飞行试验方法进行了调研分析,研究了不同形式的超燃冲压发动机飞行试验技术方案,为未来高超声速飞行器及超燃冲压发动机的飞行演示提供技术参考。     

超声速燃烧室冷态流场数值模拟研究

超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器理想的动力装置。在进口马赫数2.0、进口总温285K的条件下,对超声速燃烧室的二维冷态流场进行了数值模拟。分析了超声速燃烧室内激波与边界层作用引起的复杂的流场结构;数值模拟获得的激波链结构与实验纹影图吻合较好,所计算的壁面压力分布与实验结果较为一致。相同的反压条件下,随进口马赫数的增大,超音速燃烧室内激波链长度减小。     

超燃发动机流场组分浓度的在线测量

为了正确评价超燃发动机试验状态,采用自发拉曼散射技术在线测量了超燃发动机流场的主要组分。基于发动机试验条件和发动机与光学诊断技术的接口,建立了用于发动机流场组分测量的自发拉曼散射实验系统;测量了多车次发动机试验过程中流场主要组分的拉曼光谱;最后,通过光谱计算获得了流场主要组分浓度信息并重点分析了来流氧气含量及其变化情况。实验显示:发动机试验中,部分车次试验补氧后的来流中氧气的最大含量达到了30%,最小含量为18%,说明发动机试验过程中,对补氧量的控制精确和稳定性还有待提高。结果表明:采用自发拉曼散射技术可以较好地完成来流主要组分浓度测量工作,测量结果可用于发动机试验数据的分析及来流补氧控制方式和控制精度的改进。     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H₂/O₂七组分八方程模型,湍流模型为标准的 k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。      

冲压发动机羽流温度 TDLAS 在线测量系统

为实现碳氢燃料冲压发动机羽流温度在线测量,以H_2O分子为目标组分,通过分子光谱仿真计算优选(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)-(7 185.586 5+7 185.597 3) cm~(-1)谱线对,采用扫描波长直接吸收光谱-时分复用(SDAS-TDM)策略设计了用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量的可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)系统,并利用预混平面火焰炉验证了该系统测温精度,结果显示采用此系统对预混平面火焰炉高度1 cm处火焰温度测量结果与标准参考值相对偏差均在15%之内。在此基础上,将该系统应用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量,通过交替调制1 392 nm与1 343 nm半导体激光器,测量调制激光经待测区域后的光强衰减信号,获得H_2O分子在(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)和(7 185.597+7 185.597 3) cm~(-1)谱线吸收光谱,通过双线技术实现了发动机羽流温度在线测量,为碳氢燃料冲压发动机燃烧组织与性能评估提供重要参考。     

超燃冲压发动机隔离段中激波串演化发展过程研究

隔离段内流场波系结构对超燃冲压发动机进气道的启动起着重要的作用,它是衔接进气道和燃烧室的桥梁.采用二维耦合隐式NS方程和RNG k-ε湍流模型对二雏超燃冲压发动机隔离段内流场进行了数值模拟,研究了其内部激波串的演化发展过程.结果表明:出口反压的升高可使激波串沿隔离段内流道往上游移动;伴随着激渡串的前移和马赫盘的出现,隔离段壁面附近涡亦成对出现;随着隔离段出口反压的逐步升高,激波串强度逐渐增强,由斜激波逐步转变为正激波串、λ正激波,直至将激波串推出隔离段,造成进气道的不启动;等直隔离段相比单壁扩张隔离段和双壁扩张隔离段,其抗反压能力更强,更能有效隔离燃烧室压力对进气道工作状态的影响.     

超燃冲压发动机高温燃料流量调节阀的热力学特性研究

该文提出了一种滑阀式超燃冲压发动机高温燃料流量调节阀。由于高温阀的工作温度最高可以达到500℃,因此阀的热力学特性对阀芯和阀套摩擦副之间的正常配合,甚至于整个阀以及阀控电磁铁的正常工作都会产生严重影响,所以对高温阀的热力学特性进行研究是十分必要的。采用有限元方法建立了高温阀的二维热传导和流体动力学模型,得到了固体与流体之间的热通量,并对固体和流体分别建立了热传导模型和湍流模型,给出了固体内的温度场分布及流体内的流场分布情况,而且与试验结果进行了比较,为高温阀的结构设计和改进提供了理论基础。     

平板超声速横向喷流干扰流场数值模拟

<正>引言横向喷流技术有着广泛的应用前景,在飞行器姿态控制、发动机推力矢量控制以及冲压发动机燃烧室的燃料注入与混合过程中都遇到类似的问题。喷流与超声速主流相互作用时,将产生复杂的干扰流场,包含激波/     

基于伴随方法的冲压发动机进气道反设计研究

为探索冲压发动机新型弯曲激波压缩进气道反设计方法,构建了基于伴随方法的进气道反设计系统,对不同来流马赫数进行参数化研究,并与基于特征线理论的反设计方法进行对比。结果表明,基于伴随方程的进气道反设计方法能够根据压力分布有效计算出外压缩段型面,与给定参数分布更为接近。在进气道反设计中,基于伴随方程的反设计方法直接基于有粘流场,无需粘性修正,是进气道反设计极具潜力的方法。     

雷诺数对超燃冲压发动机隔离段内激波串的影响

雷诺数是超燃冲压发动机隔离段内激波串的重要影响因素之一。采用数值模拟的方法对不同来流雷诺数条件下的二维隔离段内流场特征进行计算,分析了来流雷诺数对隔离段内激波串起始位置和结构的影响。结果表明:在高马赫数来流时,雷诺数对激波串有一定的影响,但不明显;在适当马赫数(Ma=1.8-2)时,激波串起始位置与雷诺数呈线性关系;在低马赫数来流时,雷诺数对激波串的影响消失。     

飞机尾流温度场测量与数值模拟

采用有限体积法,对某型发动机尾喷管三维流场及温度场进行了数值计算,分析了不同发动机状态下尾流温度场特性.结合CFD结果,研制了一套用于测量高温、高速条件下的尾流测温系统,并应用于某型飞机尾流温度场测量试验,测取发动机全加力状态下的尾流温度分布,证实该计算及测量方法具有一定的工程应用价值.     

基于TDLAS的同轴扩散火焰温度与CO_2浓度测量

温度与组分浓度的空间分布对火焰中多环芳烃和碳烟生成机理的研究非常重要。本文基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术对甲烷同轴扩散火焰温度与CO_2浓度的空间分布进行测量。针对轴对称的同轴扩散火焰,本实验采用4.2μm的中红外带间级联激光器测量了不同火焰高度上路径积分的吸光度谱线,并通过傅里叶分析Abel逆变换方法重建出各点的光谱吸收率谱线。结合HITEMP数据库,通过最小二乘法拟合实验数据得到火焰温度与CO_2浓度,并将TDLAS测量结果同CFD仿真进行比较。发现TDLAS温度与CO_2浓度测量结果与CFD仿真吻合良好,但由于未能全面考虑辐射效应,CFD仿真高估了最大火焰温度,计算的最大CO_2浓度和火焰面高度偏低。     

PDA在炉膛气固两相流动特性研究中的应用

介绍了激光相位多普勒粒子动态分析仪(PDA)的测量原理,对冷态模化的炉膛再燃区域气固两相流场的速度和粒子粒径、浓度进行了测量,研究了炉膛主燃区过量空气系数在0.9时的再燃区的气固两相湍流流场的动力特性,分析了气固两相的速度分布、速度滑移以及颗粒数密度的分布规律,结果表明主燃区过量空气系数0.9时再燃区的气固两相流动及混合特性有利于形成均匀的还原场.     

ATR发动机建模及特性分析

空气涡轮冲压发动机(ATR)是一种组合推进系统,来流空气经进气道激波之后,又经压气机再次压缩。由于转子系统的引入,ATR发动机的燃烧室—进气道相互作用及工作模态转换方式比冲压发动机更加复杂。为分析压缩系统的工作特性,以预冷式ATREX发动机为研究对象,利用尾喷管阻塞机制、涡轮—压气机匹配、燃烧室Rayleigh方程等建立非设计点稳态数学模型。计算给定飞行条件下,发动机压缩系统工作状态随燃料流量的变化过程,分析双压缩机制的耦合作用,得到ATR发动机工作特性的一般结论。     

激光气体检测及温压补偿研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种灵敏度高、分辨力高和响应快速的气体测量技术,基于(TDLAS)的激光气体分析仪具有预处理简单、不受背景气体和粉尘影响的特点,是工业过程气体在线分析理想选择。本文介绍了波长调制的吸收光谱浓度测量原理以及实际工况下浓度的温压补偿方法。     

超燃冲压发动机喷管非定常流向涡研究

超燃冲压发动机喷管是发动机提供推力和升力的主要部件,因此,对该流场流向涡特性的研究具有重要意义。本文采用计算流体力学软件运用数值模拟的方法对超燃冲压发动机尾喷管的三维流场做非定常计算,得到了流场各个截面的流线图。结果表明,尾流流场流向涡随着流动的发展流向涡的尺度逐渐增大,并且涡核有明显靠近的趋势,当两个流向涡边界发生接触时,由于涡尺度的增大流向涡之间会发生挤压变形,进而导致流向涡下方区域流场发生振荡,产生许多小尺度的流向涡结构,这些小尺度流向涡一部分会保持稳定,成为流场的一部分,一部分则会随着时间的推移逐渐消失。     

液压元件典型激振流场控制理论与方法的研究

本项目主要研究了液压控制元件节流槽噪声特性、噪声评价方法,为液压元件噪声控制及优化设计提供了新思路和方 法,主要成果如下。 (1)提出了阀套移动式压力分布测量方法,建立了包括阀套移动式液压阀压力分布测量、噪声测量和流动气穴显示系统, 压力分布实测结果与流场仿真结果吻合良好,这种压力分布测量方法对于高压、高速、小尺寸复杂流场具有普适性。 (2)通过对非全周开口滑阀液动力流场解析及试验测量,发理滑阀稳态液动力在流动方向变化时,液动力大小和方向都 会发生变化,并通过理论分析证明了这种现象,为控制液动力提供了新的方法及思路。     

笼套式节流阀气动噪声分析与结构改进

针对笼套式节流阀在生产中的气动噪声问题,采用大涡模拟(LES)及气动声学模型(Acoustics)对笼套式节流阀流场及声场进行模拟计算,分析了节流阀气动噪声的产生机理。研究结果表明:在节流小孔处流道结构发生突变,导致气体通过小孔后的流场变得极度紊乱,并产生剧烈的速度、压力脉动,从而形成了强烈的湍流噪声;流场中气体的最大速度为1.69Ma时,捕捉到流场出现明显的激波结构,激波和射流的相互作用将产生大尺度的湍流结构和激波噪声。基于流场仿真结果对阀门的结构进行了改进,提出一种新型内流道结构,并在实际生产应用中验证了其降噪的可行性。