空气节流对乙烯燃料超燃冲压发动机流场结构影响研究

空气节流可以有效地实现超燃冲压发动机燃烧室燃料的稳定燃烧,采用非定常数值模拟和地面试验研究了空气节流作用下乙烯燃料超燃冲压发动机的流场特性。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K,静压0.1MPa,845mm处节流条件下,冷流流场达到稳定所需时间较短,约为2ms;在空气节流开始后的6ms注入燃料实现发动机的起动点火是合适的;28ms后燃烧流场稳定,流场呈现短周期的小幅振荡,周期约为0.86ms,振荡对流场的影响很小;壁面压力数据的数值模拟结果与试验结果匹配良好,数值模拟更加全面地给出了流场结构信息。     

超燃冲压发动机燃烧室空气节流技术研究

为考察空气节流对超燃冲压发动机燃烧室的影响,非定常数值模拟和地面实验相结合证实了空气节流可以实现超燃燃烧室燃料稳定燃烧,研究了节流位置、节流流量、节流撤去时间对节流效果的影响。结果表明:在燃烧室入口马赫数2,静温548.8K,静压101555.9Pa条件下,745mm处节流时,激波串稳定时间较短,稳焰失败;875mm处节流时,火焰稳定成功。随着节流流量和节流撤去时间的增加,燃烧越来越剧烈,壁面压力逐渐升高,可能影响进气道的起动,对于本文来流条件,30%入口空气流量作为节流流量是合适的,440ms以前撤去空气节流是恰当的。     

脉冲燃烧风洞中空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定影响研究

采用试验与数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响。发动机入口气流总温、总压和马赫数分别为1100K,1.0MPa和2.0。空气节流位置距离发动机入口625mm,空气节流流量为入口发动机空气流量的27.2%。多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机燃烧流场结构和火焰传播规律的诊断,包括纹影、阴影、差分干涉、自发光照相和OH-PLIF。首先考察了有、无空气节流时超燃冲压发动机冷流流场的结构,结果显示:在实施空气节流后,流场内产生了激波串结构。激波串促使流场的静温和静压升高,马赫数降低。同时激波串与边界层相互作用,导致了边界层分离,促进了燃料与空气的高效混合,实现了煤油的可靠点火。其次考察了先锋氢气燃烧流场的火焰传播规律与稳定形态,结果表明:当先锋氢气当量比为0.3时,燃烧流场振荡;当先锋氢气当量比为0.1时,燃烧流场稳定。最后研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响,结果表明:不实施空气节流时,液态室温煤油吹熄了先锋火焰,煤油点火失败;实施空气节流后,煤油成功点火,当先锋氢气和空气节流撤除后,煤油仍然保持稳定的燃烧。     

Ma=4液体碳氢燃料超燃冲压发动机点火试验

在模拟飞行马赫数Ma=4,飞行高度H=20 km的条件下,针对不同燃料喷射方式、不同点火位置以及不同燃料当量比,进行了液体碳氢燃料超燃冲压发动机内点火过程的直连式试验研究。试验结果表明,在低飞行马赫数条件下,采用火花塞+引导氢的点火方式可以顺利实现单一点火位置条件下的火焰传播过程,并最终在整个燃烧室内实现各喷射位置燃料的燃烧;采用火花塞+引导氢的点火方式有利于实现煤油的点火、火焰维持与稳定燃烧;对于多位置喷油方案,引导氢与煤油的相对位置和当量比配比会使各喷射位置煤油的燃烧产生相互影响;试验最终在当量比0.66的条件下实现了煤油自持、稳定的燃烧。     

Ma10条件超燃冲压发动机自由射流试验过程

基于中国空气动力研究与发展中心的高焓激波风洞（FD-14A）在毫秒量级试验时间内,开展了模拟飞行马赫数为10,动压为30 kPa条件下的超燃冲压发动机自由射流试验研究。采用高速纹影和高速摄影捕捉了进气道唇口波系和燃烧室火焰的时间发展历程,结合发动机壁面压力和热流密度数据,分析了该工况下发动机的工作过程。测量了多种燃料当量比下的发动机壁面压力和热流密度,试验结果表明：在当量比0.50～1.37的宽范围下均实现了可靠点火和稳定燃烧。     

空气节流对超燃发动机燃烧性能的影响

为优化隔离段及燃烧室内的流场结构,减小流动速度,提高流道压力,在凹槽稳焰器下游布置空气节流装置,向燃烧室内喷入高压空气,目的是在隔离段建立合适的激波串,以利于点火和火焰稳定.采用CFD方法,对比了无/有空气节流时的冷流流场、燃烧流场,结果表明:节流激波串扩大了低动量区域,激波引起的流动扭曲和较长的驻留时间使得分离流内的空气/燃料混合程度得到显著增强,混合效率由无节流时的40%提高到85%,燃烧效率由无节流时的10%提高到60%.对节流位置和节流量进行了参数化研究,以隔离段入口为坐标原点,分别考察了785,1000,1100mm三个流向节流位置,以及10%,15%,30%三种节流量的影响,结果表明:距离凹槽较近的节流位置对燃烧的影响更为显著,所需节流量更少.30%的节流量将使燃烧室背压急剧提高,引起流动壅塞.研究表明在785mm的流向节流位置采用15%的节流量可获得最好的燃烧性能.      

碳氢燃料超燃冲压发动机点火技术试验

在超燃冲压发动机直联式试验中,对液体碳氢燃料超声速燃烧的点火技术进行了研究,比较了多种点火方式包括氢气引导火焰点火、火炬点火器、固体装药点火器以及电火花塞的点火效果,并成功实现了氢气引导火焰与火炬点火方式下煤油的可靠着火和持续稳定燃烧,煤油当量比范围约为0 87～1 72。在氢气引导火焰点火方式中,通过增加支板和改变氢气喷注位置,可将最小氢气当量比由0 34降为0 068。通过氢气引导火焰点火和火炬点火对比试验表明在相同的燃料喷注方式和当量比下,发动机工况基本与点火方式无关。     

碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室控制试验

设计了超燃冲压发动机燃烧室控制回路,采用基于可调气蚀文氏管的燃料流量调节系统动态调节燃料流量,根据反馈的推力和隔离段压强等测量数据进行燃烧室推力增益控制和燃烧室-隔离段干扰控制,并在直连式超燃冲压发动机试验系统上进行了推力单水平控制试验和推力多水平/燃烧室-隔离段交互控制试验.试验表明:燃料流量调节系统工作稳定,文氏管按指令行程作动,流量调节过程清晰;测量推力随流量变化基本上同步变化;对目标推力增益和燃烧室-隔离段交互的控制有效,并为进一步深入研究超燃冲压发动机燃烧室控制问题奠定了基础.      

空气节流对超燃冲压发动机燃烧室起动点火影响的数值研究

利用空气节流在流场中产生激波串,有效地辅助燃料实现起动点火.非定常Navier-Stokes方程数值模拟研究了空气节流对超燃冲压发动机燃烧室起动点火的影响,分析了起动点火时间段(0~1.0ms)内空气节流 对流场参数的影响.数值模拟结果表明:在燃烧室入口马赫数为2.0、静温为548.8K、静压为101555.9 Pa,乙烯燃料当量比为0.5,先锋氢辅助点火的条件下,距离发动机入口845mm处,节流流量为入口空气流量的30%,有效地实现了发动机的起动点火,无空气节流情况下的发动机点火效果不佳,火焰最终熄灭.      

碳氢燃料超燃冲压发动机油气涡轮做功能力评估

为了研究油气涡轮泵燃油供给系统中,碳氢燃料裂解油气的做功能力,以正癸烷为替代燃料,基于其裂解后的实验组分分析,发展了基于Soave-Redlich-Kwong(SRK)状态方程的真实气体裂解混合物的等熵焓降计算方法,并对油气涡轮的做功能力进行了分析和评估。研究表明,当膨胀起始温度为950K,膨胀起始压力超过3MPa,膨胀比为2时,裂解混合物的等熵焓降可达110kJ/kg,具备较强的做功能力。      

马赫数4下氢气自燃辅助乙烯点火实验研究

为了研究氢气自燃辅助乙烯点火的具体点火参数和点火性能,在直连式脉冲燃烧风洞设备上进行了模拟飞行马赫数4条件下的超燃发动机乙烯点火试验,试验来流的总温935K,总压0.8MPa,隔离段入口马赫数2.1。试验利用不同质量流量的引导氢气自燃辅助点火,成功实现了乙烯燃料的点火和稳定燃烧。通过流场显示和壁面压力测量发现:(1)能够成功点火的引导氢气流量范围为 0.43~12.61g/s,相当于当量比0.005~0.142;(2)0.43g/s流量氢气注入燃烧室后10ms以内被点燃,乙烯燃料注入后经过了约20ms才被点燃,点火的主要位置为凹槽内;(3)6.68g/s的氢气注入燃烧室后20ms才被点燃,乙烯燃料注入后约8ms即被点燃,点火的主要位置为凹槽下游和凹槽出口位置;(4)点火试验中火焰能够在凹槽内和剪切层内向上游逆传;(5)凹槽下游和下壁面的燃烧,是促进凹槽内燃烧、提升燃烧室压力和引起燃烧室压力震荡的主要原因。      

油气比对超燃发动机点火过程的影响

为了研究油气比对超燃发动机自点火性能的影响,利用二维非定常化学非平衡计算方法模拟了总温2000K,总压3.0MPa,入口马赫数3.0,煤油油气比为0.2和1.0时超燃发动机的自点火过程。具体可以得到以下结论:(1)总油气比越高,燃料传播速度越快;燃料首先沿着剪切层传播至凹槽后缘,之后在凹槽漩涡的带动下向凹槽上游和底部传播。(2)凹槽回流区温度高,点火延迟时间短,低油气比的气体一旦进入凹槽回流区后即可在凹槽后缘和上方点火。(3)火焰从凹槽的上沿和右边向凹槽底部和左边传播。(4)总油气比越高,点火越困难。     

超燃冲压发动机凹腔内补氧的强化点火试验

在超燃冲压发动机扩张型燃烧室中,对凹腔内局部补氧的点火强化方法进行了试验研究。采用高速摄影手段研究了不同的补氧方式对凹腔内火焰分布特征和燃烧强度的影响,并针对并联双凹腔燃烧室构型,研究了在单侧凹腔补氧条件下向异侧凹腔的火焰传播过程。试验结果表明,采用凹腔内补氧的方式能调节凹腔内的燃料浓度分布、改善凹腔内的燃烧过程,控制燃烧放热强度;稳态燃烧情况下,观察到凹腔驻留火焰的两种存在特征,分别表现为:由回流区热量反馈机制作用下的凹腔局部驻留火焰和燃烧室全局压力反馈影响下的凹腔剪切层火焰。只有在单侧凹腔燃烧建立了全局压力反馈的条件下才能实现凹腔火焰的异侧传播。     

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.     

不同燃料燃烧加热对超燃冲压发动机性能影响的分析与评估

为了评估不同燃料燃烧加热的空气污染对超燃冲压发动机性能的影响,重点研究了相同流动匹配条件下四种不同燃料燃烧加热的超燃冲压发动机性能(氢、甲烷、酒精和煤油)。对相同流动匹配条件下,地面模拟飞行Ma=6,高度25km的超燃冲压发动机流道性能采用数值模拟进行了评估,并将之与飞行条件下的发动机性能进行了对比分析。结果表明,不同加热方式对进气道升力和升阻比有显著影响(升力最大差异>8%,升阻比最大差异>6%),对超燃冲压发动机性能也有显著影响,比推最大差异97N·s/kg,燃烧效率最大差异11%。      

MCGA-assisted ignition process and flame propagation of a scramjet at Mach 2.0

The ignition process and flame propagation with ethylene fuel in cavity-stabilized scramjet by a Multi-Channel Gliding Arc(MCGA) at Mach 2.0 were investigated. Effects of equivalence ratios on the MCGA-assisted ignition process and flame propagation of the scramjet were recorded by two high-speed cameras from different view angles. The discharge characteristics of MCGA are also collected synchronously with the high-speed cameras. The distributions of temperature, velocity, and equivalence ratios...     

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。     

超燃冲压发动机总体化性能分析

针对由后掠侧压进气道、矩形燃烧室和后掠侧板尾喷管构成的超燃冲压发动机模型,为了快速准确得到超燃冲压发动机的整机性能,建立了一套分析发动机总体性能的耦合流场计算方法。其中进气道和尾喷管流场分别求解三维单一气体和多组分抛物化N-S方程,燃烧室流场求解一维N-S方程,各部件在交接面处传递几何和流动参数。运用总体性能计算方法,研究了发动机构型的气动特性,给出了飞行高度、马赫数和攻角改变对发动机性能的影响规律。结果表明:该总体性能计算方法可用于超燃冲压发动机总体性能的快速预估;飞行高度对推力、升力和俯仰力矩的影响均较大且程度相近,三者随飞行高度增加均减小;飞行马赫数对发动机推力、升力的影响相近,对俯仰力矩的影响最大,三者随飞行马赫数增加均增加;飞行攻角对升力的影响最大,俯仰力矩次之,对推力的影响最小,随飞行攻角增加,发动机升力近似线性增加,推力和俯仰力矩分别呈增加和减小趋势。     

再生冷却超燃冲压发动机传热计算分析与试验

为了计算评估再生冷却超燃冲压发动机的传热特性,并确认计算结果可信,结合固壁三维热传导方程、三维燃气流场计算软件平台和燃油物性计算程序,发展了能对再生冷却超燃冲压发动机进行三维热分析的计算程序;将水冷和油冷通道传热试验、再生冷却超燃冲压发动机传热试验和燃油冷却面板传热特性试验的测量值与计算数据进行对比研究,计算结果与测量值符合较好。