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液体火箭发动机燃烧稳定性理论、数值模拟和实验研究

黄玉辉  
【摘要】:本文结合非平衡热力学、小波分析、非线性动力学等非线性学科,建立燃烧稳定性理论模型,发展两相喷雾燃烧非定常数值模拟程序,利用激光测粒系统,发动机高频热试系统等测试手段,重点围绕液体推进剂的化学动力学过程,对燃烧不稳定进行了较为系统的理论、仿真和实验研究。 ●建立非线性场振子模型,比较燃烧速度对压力导数前三项系数的作用。 ●提出均匀反应器声振模型。发现燃烧区的传热是燃烧过程的Hopf分岔参数:化学动力学过程也具有频率选择、频率牵引和非线性激发的特点。 ●建立时空作用模型。提出不同声振模式之间的竞争与合作概念。发现若非线性互饱和系数较小,各振型共同分享振动能量;否则,只能有一个主振型振荡。 ●用非平衡热力学分析燃烧不稳定。结果表明由扩散控制的蒸发过程不可能包含振荡激励机理。得到燃烧稳定性一般热力学判据。 ●数值研究燃烧室的一维非线性声学。发现压力和速度主要体现声特征,熵和组分主要体现流特征,而密度和温度既体现声特征又体现流特征。 ●用EBU模型三维数值研究气相湍流火焰。EBU模型不包含燃烧振荡机理。结果表明用包含着火和灭火过程的EBU模型可以产生燃烧振荡,但不会持续太久。 ●用简化多步化学反应动力学数值研究气相火焰。发现高活化能的预混火焰比扩散火焰容易产生振荡,但振荡难以持久。 ●用简化多步化学反应动力学数值研究液氧/煤油,气氧/煤油/气氢,和液氧/气氢喷雾火焰。自激燃烧振荡形成极限环。增加气氢占燃料的质量比,增加气氧的喷射速度都有助于提高燃烧稳定性。提出判定燃烧不稳定敏感区的方法。喷嘴附近温度适中的预混区为燃烧振荡提供了能量。 ●实验发现并研究YF-75发动机同轴离心式喷嘴的自激振荡。这是中心气涡与气体通道中的气流共振的结果。对喷雾的滴径分布和喷嘴下游的流强分布产生重要影响。 ●用充填,气动噪声,脉冲枪和扩音器实验研究燃烧室的各种声学响应。实验研究液氧/气氢/煤油三组元两工况发动机在不同结构和工作条件下的燃烧稳定性。发现氢气的加入对烃/氧燃烧稳定性的提高不是绝对的。 ●提出判定燃烧不稳定激励机理的实验方法,并提出第三种燃烧不稳定控制方法。


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