喷注方案对圆形超燃冲压发动机性能的影响研究

在飞行马赫数Ma=6，总当量比为1.0条件下，采用三维数值模拟研究了不同喷注位置煤油当量比分布对双凹腔圆形发动机推力性能和壁面热流的影响。喷注位置包括支板壁面喷注K1，隔离段出口壁面喷注K2，第一凹腔尾缘壁面喷注K3以及第一扩张段壁面喷注K4。结果表明，K1注油当量比大小直接影响燃烧室内的燃烧模态和流道中心燃烧。为了保证发动机推力性能，K1注油须达到一定量，促使流道燃烧处于亚燃模态，且流道内具有较强的中心燃烧。为优化发动机壁面热流环境，剩余燃料需要在K2，K3和K4分散注入。K2和K3注油当量比大小同时影响第一凹腔燃烧性能，其中K2注油当量比降低，推力性能下降，但壁面热流性能提高，而适当增加K3喷注煤油，有利于提高推力性能。增加K4注油，第二凹腔及其之后流道区域燃烧增强，发动机推力性能和热流性能均提高。通过分析各注油位不同当量比分布对发动机力热性能的影响规律，最终获得了力热性能较优的注油当量比分配方案，此时K1～K4注油当量比大小依次为0.6，0.1，0.1，0.2。     

支板凹腔耦合超燃燃烧室燃油动态调节研究

在纯净空气来流下,对以液态航空煤油为燃料,以支板凹腔耦合方式稳焰的超燃燃烧室的燃油动态调节进行了研究,采用两台柱塞泵供油,结果表明:总燃油当量比为0.83的条件下,动态切换支板喷射位置从上游到下游的过程中,燃烧室上游的壁面压力先下降后上升,而靠近出口的壁面压力则先上升后下降,并最终稳定;动态调节支板喷射的当量比,壁面压力峰值随当量比升高而升高,但壁面压力提升的起始位置随当量比升高向上游移动;通过试验验证动态调节后的稳定时间足够,试验数据可靠。     

液体火箭发动机燃烧室壁面热流测量方法研究

为了研究液体火箭发动机燃烧室的壁面热载荷,提出了一种简单、准确的燃烧室壁面热流测量方法。通过发动机热试,测得了距燃烧室壁面不同径向深度的瞬态温度数据,采用一种基于分离变量的数据处理方法,最终得到燃烧室壁面热流和壁面温度。研究表明,提出的热流测量方法能够准确获得燃烧室壁面热流和壁面温度且不会放大误差。发动机热试的瞬态过程中,温度的响应存在明显的迟滞性,5s时间不足以使温度达到稳态。而燃烧室壁面热流响应迅速,达到稳态所需时间在2 s左右,且热流的变化规律与燃烧室压力变化规律一致。     

考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的低温甲烷超临界压力传热研究

 在考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的情况下,开展了低温甲烷在矩形冷却通道中的超临界压力湍流换热数值模拟研究;仔细分析了热流密度及管道几何形状对低温甲烷超临界压力下的流动和传热的影响;得到了流体速度、壁面温度、壁面热流密度等参数的详细变化情况以及Nusselt数的变化规律。计算结果表明:在考虑流固耦合作用时,上壁面施加的热流有一部分会通过固体壁面内的热传导,经由侧壁面传入超临界压力流体,并且随着热流密度的增加,经侧壁面传导的热流所占的比例也会随之增大;减小冷却通道内截面的高宽比,可以提高超临界压力下的换热效果,但流动压降会大大增加,因此冷却通道高宽比的选择需综合考虑传热与压力损失的影响,可以引入热性能参数作为参考;修正的Jackson&;Hall对流换热关系式基本可以适用于本文中的各种工况。     

不同压比下塞锥三维传热分析

为了解塞式喷管发动机在不同压比下工作时的再生冷却换热特性, 对一试验用塞式喷管发动机建立三维计算模型, 采用数值模拟的方法, 得到了不同压比下再生冷却塞锥壁面以及内部截面的压强、热流密度和温度的分布曲线和云图.计算过程中采用一阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明塞式喷管发动机在较低压比的工况下工作时, 塞锥受热状况较为恶劣, 塞锥壁面出现压强和温度的峰值, 该截面内部的温度和温度梯度达到最大.      

马赫数10超燃冲压发动机激波风洞实验研究

基于室温氢气驱动激波风洞实现总压28MPa、总焓4.7MJ/kg、名义马赫数10超声速空气自由来流模拟,开展二维超燃冲压发动机自由射流点火实验,实现稳定燃烧,燃烧持续时间5ms。通过此次试验,探索尝试了马赫数10超燃冲压发动机地面点火燃烧试验技术,初步获得了高马赫超燃冲压发动机点火/燃烧过程参数和基本现象规律。试验中,采用高速相机完整记录了氢气喷注、着火、燃烧现象和燃烧持续过程,采用高频压力传感器和热电偶进行沿程壁面压力和热流测量。研究结果表明,马赫数10自由来流条件下,气态氢燃料垂直喷入超声速来流能够实现自点火,并发生剧烈燃烧,燃烧区域压力上升幅度40%,壁面热流上升幅度达100%。     

M3条件下乙烯燃料超燃冲压发动机空气节流点火试验

在隔离段入口Ma=3(模拟飞行马赫数6.5)条件下,采用乙烯燃料的超燃冲压发动机点火十分困难。为解决该难题,采用了空气节流作为辅助点火措施。基于脉冲燃烧风洞直连式试验平台进行了空气节流点火试验,通过壁面压力测量,获得了节流点火的火焰发展历程。以点火时间为指标,对节流流量、乙烯当量比、节流时间等参数进行了定量分析,节流流量的调节范围为0%~45%,乙烯当量比调节范围为0.6~1.2,节流时间调节范围为190~350ms。分析了三个节流参数各自的作用机理,通过数据拟合,绘制了节流流量与点火时间、乙烯当量比与点火时间的关系曲线,揭示了节流时间与点火时间的关系。      

基于边界层燃烧方法的宽速域飞行器内流道减阻研究

为了降低宽速域飞行器的内流阻力，基于边界层燃烧方法，分析了系列进口马赫数条件下二维扩散段总阻力中摩阻和压阻的特性，研究了不同进口马赫数下摩阻和压阻分量对总减阻的贡献、燃烧影响区域和壁面热流密度，探讨了喷射参数对减阻效果的影响，探索了边界层燃烧方法在典型混压式进气道中的减阻应用。结果表明，随着进口马赫数的增加，总阻力中摩阻分量随之增加；边界层燃烧对摩阻和压阻减阻的机理有所不同，壁面附近流场特性变化使得摩擦系数减小，燃烧局部增压对壁面产生的增推效果使得压力系数减小；从总内阻减阻百分比看，在相同燃料/空气当量比下，低马赫数工况下边界层燃烧减阻效果不如高马赫数工况，且在低马赫数工况下，喷嘴附近壁面热流密度会显著增加；在本文所研究的参数范围内，摩阻和压阻对当量油气比更为敏感，而对喷射方向和喷射速度不敏感。     

注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响

基于脉冲燃烧风洞直连式试验平台,利用壁面压力测量和高速摄影等手段,研究了注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响.考察了不同油位单点注油时的注油特性,利用高速摄影揭示了各个油位的火焰发展历程.在产生有效推力及防止进气道不起动的限制下,确定了各个油位的贫油最低当量比、富油最高当量比.研究了第1油位、第2油位和其他油位组合注油时的耦合作用.以隔离段未扰动区域长度、燃烧室内推力、燃料比冲为指标,探寻了燃烧性能最佳的注油方式.试验获得的隔离段未扰动区域长度最大为149.6mm,燃烧室内推力最大为1622.3N,燃料比冲最大为1354.0s.      

高速自旋飞行体的气动加热特性

一种典型的弹箭类高速自旋飞行体为例,选取目标在超声速、跨声速、亚声速飞行状态下的弹道计算数据作为来流条件,结合滑移网格和多坐标系法,采用基于密度的耦合隐式算法、Roe-FDS(flux difference splitting)通量格式和SST(shear stress transfer) k -ω湍流模型,对飞行体的外流场进行了热流模拟研究。重点分析了目标在高速自旋飞行条件下的壁面压力、温度、气流密度、热流率、湍流动能等变化规律,并与不考虑飞行体高速自旋的流场进行了对比研究。研究结果表明:在高速自旋飞行条件下,飞行体表面的流线相互干扰,贴壁气流对飞行体产生的扰动更加剧烈,飞行体尾部的气流集聚效应明显,湍流发展与演化过程更加复杂,飞行体壁面的气流速度、压力、温度、热流率均高于无转速飞行情况,尤其在超声速飞行条件下的差异显著。     

反压诱导方式对超燃冲压发动机隔离段流动特性影响

为了探究传统机械限流方式同燃烧释热对隔离段流动特性影响的异同,采用实验结合数值计算的方法研究了限流方式与实际燃烧诱导压升的差异.使用氢燃料进行不同当量比的燃烧实验,并使用燃烧室出口安装楔块的方式进行限流实验,对比了来流条件相同,且隔离段出口压比相同时两种实验下的压力分布.使用经过验证的数值方法模拟了不同隔离段出口压力下燃烧状态及对应的限流状态,对比了两种状态下隔离段流场细节.实验结果表明:激波链即将进入隔离段时,两者的压力分布大致相同;激波链进入隔离段后,隔离段出口压比2.3,两者的壁面压力分布有明显差别.此状态下的计算结果表明:燃烧状态下隔离段内分离区首先出现于下壁面,激波链向上偏折;而限流状态分离区出现于上壁面,两者的流场会有一定差异.反压继续增大的计算结果表明:隔离段出口压比达3.0时,两者的隔离段内流场差别逐渐减小并最终趋于一致.燃烧反压场与限流实验的模拟反压场一致时,才能直接采用限流实验的结果评估反压对进气道的扰动风险.      

RP-3航空煤油着火特性的实验

在化学激波管中利用反射激波着火,采用壁面压力与OH自发光作为着火指示信号,测量了着火温度范围为1100~1600K,压力为0.1,0.2,0.3MPa,当量比为0.5,1.0,1.5时RP-3航空煤油/氧气/氩气混合气的着火延迟时间,分析了着火温度、压力以及当量比对混合气着火延迟时间的影响,并拟合得到了不同压力与当量比下混合气着火延迟时间的Arrhenius关系式.结果表明:在不同压力与当量比下,混合气的着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,同时,随着着火温度与压力的升高以及混合气当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短.      

基于500 Hz OH-PLIF技术的超声速燃烧室火焰结构

针对超声速燃烧室火焰驻留时间短和高湍流度的特点,利用500 Hz高频OH-PLIF(planar laser induced fluorescence)技术,研究了氢燃料超声速燃烧室火焰结构,结合壁面压力,获得了点火、稳焰以及熄火过程的规律。结果表明：隔离段入口来流马赫数为2的情况下,氢气当量比0.1和0.3,在火花塞点火下,2 ms均能点燃并获得PLIF火焰图像,其中当量比为0.1凹槽内存在爆燃现象,火焰达到稳定燃烧状态较慢(约65 ms)。稳焰过程中,当量比为0.3燃烧相对不充分,燃烧区域更靠近下壁面,燃烧位置和火核位置变化较大。当量比为0.1和0.3,熄火时间均在6 ms内,其中当量比为0.1熄火时火焰是从凹腔中部传播到凹腔前缘位置熄灭并伴随有一个短暂火焰增强的过程,并且在传播至凹腔前缘时已接近熄灭,当量比为0.3在熄灭前则是慢慢变弱,最终在凹腔前缘至喷氢位置间熄灭。     

燃烧室火焰筒头部性能对比试验

根据前期某型发动机燃烧室头部降低冒烟数性能试验结果,火焰筒头部结构存在高温烧蚀变形痕迹,为保证该结构工 作可靠性和使用寿命,将原型燃烧室火焰筒头部传统的孔板+挡溅板的冷却结构改进为带有一定角度的收敛双锥形冷却结构,并 在单管燃烧试验器、扇形燃烧室试验件上采用连续气源、模拟参数进行了性能对比试验,录取了改进前后2种头部的点熄火边界、 燃烧效率及头部壁温。结果表明：在同工况下,改进后的火焰筒头部着火余气系数更大,点火边界更宽;贫油熄火边界相当;燃烧 效率基本相当,均大于0.99,符合性能要求;改进后火焰筒头部壁温较原型的有较大降低,温度分布更均匀。     

等离子体射流作用下光壁面超声速燃烧室点火试验研究

针对光壁面超声速燃烧室的点火需求，利用中心嵌入式等离子体射流在模拟马赫数6，总温1860K的直连式试验台上实现了煤油燃料的可靠点火和稳定燃烧，研究了超声速燃烧室起动过程中等离子体建立与维持特征，获取了不同当量比下火焰传播与燃烧特性。试验表明：在自身工质的高压射流维持下，等离子体点火器可以在点火起动的不同压力变化环境中保持稳定；中心等离子体射流产生一定尺度的高温区域且含有丰富的自由基，但需要在恰当的中心喷油流量形成的混气当量比下产生等离子体诱导火焰；诱导火焰沿燃烧室轴向传播进而发展形成了稳定的超声速燃烧。     

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室，开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统，隔离段进口马赫数保持2.0不变，总压为1.05 MPa，来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力，并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时，燃烧室壁面峰值压力位置相同，同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系；来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升；在燃烧室当量油气比不变的条件下，来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降，隔离段内激波串长度缩短。      

Experimental research of air-throttling ignition for a scramjet at Ma 6.5

An experimental investigation on ignition characteristics with air-throttling in an ethylene-fueled scramjet under flight Ma 6.5 conditions was conducted.The dynamic process of air-throttling ignition was explored systematically.The influences of throttling parameters,i.e.,throttling mass rate and duration,were investigated.When the throttling mass rate was 45% of the inflow mass rate,ambient ethylene could be ignited reliably.The delay time from ignition to throttling was about 45–55 ms.There was a threshold of throttling duration under a certain throttling mass rate.It was shorter than 100 ms when the throttling mass rate was 45%.While a 45%throttling mass rate would make the shock train propagate upstream to the isolator entry in about10–15 ms,four lower throttling mass rates were tested,including 30%,25%,20%,and 10%.All of these throttling mass rates could ignite ethylene.However,combustion performances varied with them.A higher throttling mass rate made more ethylene combust and produced higher wall pressure.Through these experiments,some aspects of the relationships between ignition,flame stabilization,combustion efficiency,and air-throttling parameters were brought to light.These results could also be a benchmark for CFD validation.     

煤油-空气预混气流超声速燃烧数值研究

对以高温燃气作为引导火焰的煤油 空气预混气流超声速燃烧进行了数值模拟,系统研究了预混气流的温度、压力、当量比,以及预混气流与高温燃气的压力匹配关系等多种重要因素对超声速燃烧的影响。结果表明:随着预混气流静温、静压的升高,着火点诱导的压缩波增强,最高燃烧温度升高,火焰传播角相应增大;预混气流的当量比为化学恰当比时,燃烧温度最高;与静压匹配的情况相比,静压不匹配情况下的火焰传播角增大,当预混气流的静压高于高温燃气的静压时,着火点前移,反之,着火点则后移;此外,在多种情况下,燃烧室下壁面边界层都出现了自燃现象。     

燃料射流隔板对受限超声速反应混合层流场和燃烧特性影响

为了研究燃料射流隔板壁面扰动对于受限超声速反应混合层流场和燃烧特性的影响,基于抽象物理模型激波和膨胀波理论推演,得到了隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场结构,并采用数值模拟方法进行了验证。数值结果表明,隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场主要由冷态主导,且相对无隔板扰动多了回流区、激波、膨胀波、波与反应混合层相互作用等复杂现象。在此基础上,对于不同隔板厚度计算的结果表明,随着隔板厚度的增加,隔板下游的回流区增大,上下膨胀产生的压力不平衡加剧,反应混合层会产生偏斜,回流区厚度和偏斜距离与隔板厚度成正比。此外,第一道反射激波存在降低点火延迟的作用,且存在一个隔板厚度阈值,阈值以下随着厚度增加点火延迟随之降低。同时,后续的多道反射激波导致混合层发展的局部起伏和局部燃烧增强。