燃烧室声学测量和仿真的误差影响因素分析

动态压力数据对于燃烧室声学特性及燃烧不稳定性的分析具有十分重要的意义,由于测点数量有限,实际工程分析中还需要借助声学仿真补充模态分布及频响曲线等多维信息。某些情况下,主次模态频率间隔较小、主模态幅值不太突出,声学测量和仿真之间的误差会严重影响对实际声模态类型的判断。通过燃气发生器缩尺件声学实验及仿真计算,具体分析了在燃烧室声学特性分析过程中的各种误差源,其中包括测量点位置、来流温度、喷注及测量缩进小腔等。研究表明:声学仿真能够准确得到实际的声学模态频率分布,平均温度引起的频率差异不可忽略,非波腹位置处测量的模态幅值需要考虑测点位置的影响,喷注缩进小腔能使特定模态幅值降低,而测量缩进小腔会导致某阶模态幅值的测量结果偏高。     

考虑喷注流强分布的纵向稳定性建模与分析

喷注器流强分布是除声学阻尼装置以外使液体火箭发动机稳定工作的重要措施,通过控制喷注流强分布使推进剂的燃烧尽量远离主要振型的波腹区,减少热声耦合振荡的能量源,从而达到抑制高频振荡的效果。因此,建立喷注流强分布与稳定性之间的综合分析模型,研究流强分布的不稳定性抑制特性具有重要实际意义。针对采用自击式喷嘴器、液滴蒸发作为燃烧速率控制过程的某自燃推进剂缩尺燃烧室高频纵向燃烧不稳定问题,近似采用蒸发速率峰值区代替集中燃烧释热区,引入燃烧室三维声学控制方程以考虑多喷嘴条件下燃烧响应空间分布,建立了针对喷注器流强分布条件下的高频纵向燃烧稳定性分析模型,并对喷注流强的稳定性抑制特性进行了分析,给出了不同分布流强下燃烧室一阶纵向信号的增长率变化规律。研究表明,喷注流强分布有利于燃烧室稳定,"驼峰区"喷注孔径的增大对改善高频纵向不稳定性更为显著,"驼峰区"流强增加30%,相应的增长率降低15%。     

液滴发生器工作过程的动力学特性

为了研究喷孔位置对液滴发生器均匀液滴生成稳定性的影响,发展了液滴发生器工作过程的动力学特性计算模型,给出了基于声学理论的集液腔压力响应空间分布函数。考虑到部分小孔径、大长径比直流喷嘴的工作特点,在传统集中参数模型的基础上,建立了分布参数模型。随后,分析了Rayleigh模式下射流表面波色散关系的影响因素。结果表明,在特定的激励频率区间内,喷注面会产生近似圆环形状的波节结构,并随着频率的改变沿径向移动,因此液滴发生器的喷孔位置设计应当考虑喷注面的压力分布特性。与集中参数模型类似,喷嘴分布参数模型计算出的脉动流量也是随着激励频率的提高而减小,但滞后相位角保持约90°不变。分布参数与集中参数模型的适用界限要根据射流表面波的色散关系以及喷嘴长径比共同确定。     

基于时滞模型的纵向燃烧不稳定性分析

在集总燃烧时滞模型的基础上,研究了系统耗散对燃烧稳定性的影响。通过在流动控制方程中考虑剪应力引起的阻尼项,利用燃烧锋面处的匹配边界条件,推导了考虑耗散效应的集总燃烧时滞模型。其次,采用Tim Liuwen等的研究方法,通过对不稳定燃烧试车数据进行滤波操作和相关性计算,间接获得了各阶声学模态对应的耗散系数。将其作为阻尼项加入到新的模型中,重新计算了本次试车的稳定性曲线。结果显示,各阶耗散系数均小于0.1,且耗散系数会随着模态阶数的提高而降低。另一方面,考虑耗散后的系统增益较原始模型及现有模型降低了48%,说明系统耗散的加入影响了模型的预测精度。进一步研究证明,耗散的增加会降低系统增益,从而提高其稳定性。     

气氧甲烷单喷嘴燃烧室壁面热流的测量和数值模拟

为了研究气氧甲烷燃烧室的壁面热载荷,对一个包含同轴剪切喷嘴的燃烧室开展了热试研究,混合比2.647,室压2MPa。根据沿燃烧室轴向测得的壁面温度数据,利用逆向传热计算的方法获得了壁面热流分布。为了更好地分析实验结果,应用商业CFD软件ANSYS Fluent开展了相应的数值模拟研究,采用涡耗散概念模型模拟湍流燃烧过程。在进行分析之前对网格无关性进行了验证,比较了从数值模拟和实验获得的热流分布,结果表明所采取的模拟方法能够有效预测燃烧室壁面热流分布,最大热流值偏差17%,另外还从燃气温度场和流场结构方面分析了造成这种热流分布的原因。     

自燃推进剂模型燃烧室高频纵向燃烧不稳定性

采用集总燃烧模型对某自燃推进剂模型燃烧室的高频纵向燃烧不稳定性进行了分析,计算了液滴蒸发速率沿轴向分布,忽略化学反应时间,近似采用蒸发速率峰值位置代替集中燃烧锋面位置,采用NASA经验公式给出了相应的敏感时滞和相互作用指数,建立了考虑自燃推进剂液滴蒸发过程的高频纵向燃烧不稳定性量化分析模型。基于系统振荡增益变化曲线,分析了不同液滴初始速度条件下稳定性趋势。研究表明:集中燃烧锋面位置对于高频纵向燃烧振荡具有重要影响,液滴平均粒径和液滴初始速度的增加都会导致其向下游移动,相应振荡增益会减小,稳定性提高。当平均粒径超过150 μm时,模型燃烧室振荡增益幅值降低至10以下,达到了理论上的稳定。     

液体火箭发动机非稳态燃烧过程对其稳定性的影响

基于模型分析了由非稳态燃烧过程引起的不稳定热释放这一激励源项对稳定性的影响，探讨了相应的激励机理。采用小扰动分析方法，将一维层流预混火焰燃烧模型方程分解为稳态和非稳态两类控制方程，建立了线性增长率中燃烧释热项的计算方法，获得了温度及释热量的空间分布，探讨了初始温度及比热比变化对其影响规律。结果表明:采用高能推进剂的燃烧系统具有相对较低的稳定性，而对于同一种推进剂，比热比的增加会导致稳定性对频率的敏感程度增加，且具有明显的频率选择性。      

燃烧室非线性压力振荡及其产生机理研究

当燃烧不稳定现象发生时,燃烧室内部往往伴随有较大幅值的压力振荡,其表现形式是非线性的.为了加深对其产生机理的认识,在能量平衡方法的基础上,通过求解包含高阶非线性项的各阶能量平衡方程,模拟了燃烧室非线性压力振荡曲线,给出了不稳定状态下,燃烧室压力的陡峭化过程以及各阶模态的“极限环”幅值分布.在此基础上,进一步对初始线性增长率α以及非线性效应对“极限环”幅值的影响规律进行了参数化研究,获得相应的分布规律曲线.最后,作为验证,对不同稳定工况下的“爆炸弹”压力振荡过程进行了数值模拟.研究表明,不稳定燃烧过程中,各阶模态之间存在相互作用,且随着α的增加,“极限环”幅值呈线性递增趋势,而非线性效应对“极限环”幅值的影响规律则相反.此外,“爆炸弹”数值实验表明,在进一步完善非线性项后,能量平衡方法具有模拟非线性燃烧不稳定现象的潜力.