进气道结构对固体冲压发动机补燃室燃烧及内壁流场的影响

为研究进气道结构对固体冲压发动机补燃室燃烧及内壁烧蚀的影响,采用标准k-ε湍流模型,单步涡耗散燃烧模型与KING硼粒子点火燃烧模型,开展了双下侧90°进气结构和双侧180°进气结构固体冲压发动机补燃室内燃气燃烧数值模拟,对比分析了补燃室燃气燃烧流场特征和内壁烧蚀环境特征。结果表明:双侧180°进气结构在补燃室中形成大漩涡,有利于燃气与空气的掺混燃烧,至补燃室出口位置,总燃烧效率超过90%,且该结构有效减少了粒子对内壁的冲刷侵蚀;在双下侧90°进气结构补燃室中,凝聚相粒子和燃气贴近补燃室一侧运动,导致氧气浓度和温度分布不均,不利于燃气的掺混燃烧,总燃烧效率为74%,在远离补燃室进气道一侧形成高温热烧蚀、高浓度粒子侵蚀、高速射流冲刷和热应力集中的综合破坏;双侧180°进气结构的固体冲压发动机补燃室总体性能优于双下侧90°进气结构的冲压发动机补燃室。      

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电（SDBD）在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应,为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果,实验使用高频交流电源,基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH*自发辐射,研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用,火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强,从而扩大了剪切层燃烧宽度,同时燃烧释热速率会明显提高,这主要与等离子体活化效应有关,并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时,等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角,使火焰高度降低、宽度增大,且作用效果随放电电压提高逐渐增强。      

浮力效应对射流扩散火焰转捩特性影响的实验研究

对不同空气伴流速度下丙烷层流射流火焰向湍流火焰的转捩过程进行实验观测,分析伴流对火焰转捩行为及稳定性的影响.相对于静止环境中的射流火焰,较大速度的伴流可以减小浮力效应对射流扩散火焰转捩过程的影响,使火焰发生转捩的临界Reynolds数（Re_cr）增大,即火焰推迟转捩.但当伴流速度较小时,Re_cr保持不变,转捩过程中的射流火焰发生周期性振荡,振荡幅度随着伴流速度的增大而减小,继续增大伴流速度,火焰振荡的周期性最终消失,转而呈现随机性.实验还发现,喷嘴直径较大的扩散火焰的Re_cr更大.考虑到火焰对燃料射流局部流动状态的影响,对此现象进行了解释.     

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用,其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据,给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同,等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性,并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.     

空间尘埃等离子体中尘粒电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响

本文运用自洽的三流体方程组, 考虑了尘埃的充电过程, 得到均匀磁化尘埃等离子体中垂直于磁场传播的尘埃磁声波的色散关系, 结合空间环境讨论了尘埃电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响.     

超燃冲压发动机燃烧室设计计算方法的研究

为寻找一种适当的计算超燃冲压发动机燃烧室性能的方法并评估现有模型的优劣,提出一维化学动力学模型,且通过几个算例验证了该模型的可靠性.为研究设计过程中的性能计算方法的适用性,针对一具体的燃烧室,采用目前通用的性能计算方法,即冲量分析法、一维化学动力学及二维化学动力学方法,计算得到燃烧室内各气动参数的分布曲线,并得到上述方法在超燃冲压发动机燃烧室设计过程中性能计算适用性的初步结论.计算结果表明:一维化学动力学方法与冲量分析法都能够考虑到摩擦、通道面积变化以及燃烧释热的影响因素,具有较好的适应性.对于冲量分析法,在考虑燃烧时,还需设定放热规律; 而一维化学动力学方法则可以利用化学反应模型,会自动计算释热规律,具有更大的独立性.和前两种模型相对比,二维化学动力学方法可以更细致地捕捉到流场中的一些细节,但此种模型需要较长的运算时间.对比这几个模型,各具有不同特点,在超燃冲压发动机的设计与性能计算过程中,需综合考虑上述区别,最充分地发挥各模型的优势.     

一种单喷嘴推力室燃烧内流场的方法

为了方便开展单喷嘴气气喷注器燃烧试验研究,设计了一种燃烧室壁面测温,并结合推力室燃烧流场的非稳态数值模拟的方法,以考察燃烧室内流场的发展和燃烧完成情况.应用试验数据对不同的湍流模型和燃烧模型进行了对比研究,得到与试验结果较为吻合的计算模型.并应用该方法开展了同轴剪切式喷注器氢/氧喷注动量比、燃烧室压力变化的试验研究.试验结果表明喷注器掺混燃烧效果随氢/氧喷注动量比增加而增强,而不随燃烧室压力的变化而变化.     

航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟

针对航空发动机的关键部件之一——燃烧室薄壁机匣建立了激光焊接的数值分析模型.基于SYSWELD软件的焊接分析功能,运用有限元分析方法研究了燃烧室薄壁机匣环缝焊接时引起的焊接变形,模拟了薄壁机匣激光焊接时的温度场、应力场以及变形情况,同时对焊接模拟中的热源问题从数学上进行了分析和探讨.在此基础上结合整个薄壁机匣的实际工作状况对模拟结果进行了定性分析,验证了分析方法的可行性,为实际薄壁机匣焊接提供了理论依据,有助于薄壁机匣焊接工艺方法的改进.该分析方法对焊接领域类似问题的处理也有借鉴意义.      

集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响

为了研究集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响,在分析其工作机理的基础上采用化学非平衡流动和稳态电磁流体电磁场模型对不同集气腔总压下推力器工作过程进行了数值模拟.流体力学方程组和电磁场方程考虑了多种流动机理及电磁场与高温电离气体的相互作用,化学动力学模型考虑了各种碰撞反应.采用二阶精度NND格式求解流体力学方程组,采用有限速率化学反应模型计算组分生成率,采用交替方向隐式(ADI)超松弛迭代法求解电磁场离散方程.给出了不同集气腔总压下推力器内部参数分布及其宏观性能.研究表明,集气腔总压对推力器工作过程具有多方面的影响,在保证电弧稳定的情况下,适当提高集气腔总压可同时提高比冲和推进效率.     

航空发动机燃烧室安装座相贯线焊缝焊接模拟

针对航空发动机的关键部件之一——燃烧室安装座建立了相贯线焊接的数值分析模型.基于SYSWELD软件的焊接分析功能,运用有限元分析方法研究了燃烧室安装座相贯线焊接时引起的焊接变形,模拟了安装座相贯线焊接时的温度场、应力场、相变以及变形情况.结合整个安装座的实际工作状况对模拟结果进行了分析,同时对相贯线焊接过程中产生的变形从数学上进行了分析和探讨,得到了安装座相贯线焊接模型的变形分布及位置,为实际焊接提供了理论依据,有助于安装座焊接工艺的改进.该分析方法对焊接领域诸多类似问题的处理也有借鉴意义.      

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

热解气体燃烧对炭化复合材料烧蚀热响应影响规律

在近空间高超声速飞行器飞行时间长、马赫数不断增加的发展趋势下,热防护与轻量化的矛盾越来越突出。基于此,开展了热解气体燃烧对炭化复合材料表面烧蚀影响的相关数值模拟研究,并与风洞试验结果进行了对比。结果表明:热解气体的燃烧可降低炭化复合材料表面的烧蚀厚度,并且随着气动热的增加,热解气体燃烧对材料表面碳的保护作用越来越明显。研究成果可为下一代近空间高超声速飞行器热防护系统的优化设计提供技术支撑。     

双组元推力器雾化燃烧过程数值模拟及液膜冷却作用分析

在带有液膜冷却双组元推力器的设计过程中,对燃烧室的数值仿真是一项非常重要的工作.充分考虑了常被忽略或简化处理的推进剂雾化、液滴破碎、液膜形成等重要过程,选取EDC燃烧模型和realizable k-ε湍流模型,采用有限体积计算方法得到燃烧室内部液滴分布、液膜分布、静温分布等重要数据.最后,根据所得结果阐述了燃烧室内的详细工作过程,并着重分析了液膜的分布特点以及对壁面的冷却作用,得到了两个与液膜冷却相关的结论.     

燃气动力弹跳机器人在不同地面弹跳能力

燃气动力弹跳机器人具有很强的越障能力,但不同特性地面对其弹跳性能影响较大。针对上述问题,对燃气动力弹跳机器人起跳过程的动力学模型进行理论与试验分析。首先建立了机器人起跳动力学模型,利用Hunt-Crossley模型对机器人脚与地面的作用力进行分析;然后构建试验平台,对模拟硬黏土、草地进行静态、动态力学特性测试,得到相应的力学参数;最后对弹跳机构在刚性地面、模拟硬黏土和模拟草地分别进行弹跳分析与试验。在一定充气压力条件下(丙烷0.01 MPa、一氧化二氮0.21 MPa)燃烧室内燃后压力基本相同(最大压力约3.1 MPa),而弹跳机构(总重为3.55 kg)在刚性地面和硬黏土地面的弹跳高度分别为2.0 m和1.4 m,在草地地面相对充气压力为0 MPa条件下,其弹跳高度为0.1 m。结果表明,机器人在松软的地面较刚性地面弹跳高度较低,且模拟3种地面的弹跳试验结果与分析结果较为吻合。