新型活塞驱动器及其在煤油超燃实验研究中的应用

本项目内容为：（1）研制新型活塞驱动器，并用于直连式煤油超燃实验装置，为研究M=3纯净空气煤油超燃雾化、点火和燃烧问题提供实验条件。（2）研制特征时间相差大、多目标时间同步控制系统，实现活塞运动、压力、温度和光学等测量系统协调动作。（3）研究煤油在纯空气超声速来流中的喷射和雾化、点火和燃烧现象，并和含污染物来流实验结果进行对比分析。主要创新和特色是：（1）专门设计活塞止退和恒压保持机构，延长活塞驱动器的实验时间，既满足了煤油超燃实验研究的需要，也拓展了无控制自由活塞的应用范围。（2）以研究纯空气煤油超燃为特色，所得数据可为定量评估含污染物实验数据的应用范围提供依据。研究意义是：实现对活塞驱动器的主动控制，将实验时间提高到50ms以上，为研究不同总温纯空气中的煤油超燃提供了条件，新型活塞驱动器还可作为超临界燃烧和长时间（几百ms以上）运行自由射流风洞的加热器。

背景：M=8~12超燃直连式和自由射流实验所需总温总压高、实验时间长，需研制新型活塞驱动器并利用该驱动器建造M=8~12风洞。.主要内容：（1）研制双重活塞驱动器和双活塞对向压缩风洞，完成了安装调试并获得M=8超燃直连式实验状态，实验时间50ms，具备开展H2和煤油燃料超燃直连式实验研究基本条件。（2）利用简化理论分析和商业软件fluent，分别研究了双活塞对向压缩风洞运行过程流场演化和主要影响因素，掌握了双活塞压缩风洞原理和状态参数优化方法，为后续调试和实验研究奠定基础。（3）开展煤油在圆柱形燃烧室超声速气流横向喷射混合三维数值模拟，研发了煤油两相超燃全流场数值模拟软件（SCRAM3D），采用Eulerian-Lagrangian方法，考虑了射流喷嘴模型、液滴二次破碎和气液两相相互作用，气相湍流采用SST k-ω模型。.重要结果：（1）建造了双活塞对向压缩的新型超燃实验风洞，掌握了挤压式恒压活塞系统的工作原理和参数优化。（2）获得了M=8超燃直连式实验状态约50ms实验时间。（3）研制了两相超燃分区并行计算软件，认识了煤油在圆柱形燃烧室横向喷射的液滴二次破碎特征和液滴群分布，比较了单向和双向耦合计算结果的差别。.关键数据：针对M=8超燃直连式实验总压为2~6MPa、最大温度2600K，该风洞获得了50ms实验时间。大粒径煤油液滴群主要分布在射流柱附近，从射流柱到壁面，粒径逐渐减小。双向耦合计算可得到液滴群射流激波，二次破碎几乎瞬时完成。.科学意义：掌握双活塞对向压缩驱动器、挤压式轻活塞压力补偿系统的运行原理和关键技术。掌握了超声速气流中液体喷射和粒径分布基本特征，为煤油超燃组织和调控奠定了基础。