电阻加热器在超声速燃烧研究中的应用

建立了采用连续式电阻加热器的超声速燃烧室直连式试验平台,介绍了该试验平台的调试结果,可以满足飞行马赫数约3.0～4.5时进行超声速燃烧的试验要求.自行设计了采用凹槽火焰稳定器的超声速燃烧室试验模型,在超声速燃烧室直连式试验平台上,进行了来流总温约1 000 K,马赫数约2.0条件下氢气燃料的燃烧试验,研究了氢气与来流空气的当量油气比对超声速燃烧室内燃烧情况的影响.并在此基础上开展了氢气引燃煤油的点火试验研究,研究了氢气和煤油的喷射位置、喷孔直径等对煤油点火性能的影响.      

H2O/CO2污染对煤油燃料超声速燃烧影响数值研究

在纯净空气与H2O/CO2污染空气来流对比试验结果基础上,采用数值计算方法和化学动力学方法,研究了H2O和CO2污染组分对煤油燃料超声速燃烧的影响,获得了试验手段难以得到的燃烧室流场参数和性能数据.完成了相应的煤油燃料超声速燃烧室二维数值计算,其中匹配了进口总温、总压、马赫数、氧气摩尔分数和工作当量油气比.将数值计算结果与相应试验测量值进行了对比分析,并结合燃烧室流场数据、性能参数分析了H2O和CO2污染的动力学影响、以及对燃烧室性能的影响.研究表明:(1)数值计算结果与实验测量值总体上吻合,两种手段均体现了纯净空气来流时不同煤油当量油气比的燃烧室性能,并反映了一致的“污染效应”影响趋势;(2)H2O污染、H2O+CO2污染的存在降低了煤油燃料超声速燃烧室性能,体现在燃烧诱导压升、燃烧效率、流向冲量增量的下降,而且随着污染组分含量的增加,燃烧室性能下降越加显著.     

H_2O/CO_2污染对煤油燃料双模态超声速燃烧室影响研究

在以电阻加热直连式试验系统为基础的污染对比试验平台上,通过纯净空气来流和H2O/CO2污染空气来流严格对比试验,研究了H2O/CO2污染对煤油燃料双模态超声速燃烧室点火、火焰稳定及稳定燃烧性能等的影响。研究发现,(1)H2O污染对煤油燃料超声速燃烧室点火具有一定的抑制作用,当H2O污染含量达到11%以上时不能实现可靠点火。(2)污染组分的存在会降低燃烧室的火焰稳定性,CO2污染对火焰稳定性的影响比相同含量H2O污染显著。(3)对于燃烧室无反应流动,纯净空气来流和污染空气来流时燃烧室壁面压力在一定范围内基本重合,仅局部存在微小差异。(4)污染组分的存在对煤油燃料超声速燃烧具有抑制作用,燃烧室壁面压力低于纯净空气试验,压力下降程度随污染水平升高而增大,最高达12%,CO2污染对煤油燃料超声速燃烧的抑制作用比相同含量H2O污染显著。(5)污染组分的存在会导致燃烧室模态转换点发生变化,在较高的污染水平下,燃烧室的工作模态将会从相同油气比纯净空气来流下的亚燃模态转换为超燃模态。     

污染空气对乙烯燃料超声速燃烧影响的试验

为了评估污染组分对乙烯燃料超声速燃烧性能的影响,利用西北工业大学电阻加热直连式超声速燃烧室试验平台,模拟飞行Ma=4条件下的燃烧室进口条件(总压pt=760kPa,总温Tt=800K,Ma=2),开展了来流分别为纯净空气和污染空气的乙烯燃料超声速燃烧对比试验。完成了当量油气比ER=0.57,来流分别为纯净空气和污染空气(CO2摩尔浓度分别为3%,7.5%,H2O摩尔浓度为7.5%)条件下的对比试验。试验匹配了纯净空气来流与污染空气来流燃烧室进口总压、总温、氧气摩尔浓度(21%)、Ma数与当量油气比。给出了燃烧室壁面压力分布对比试验结果与分析。     

H2O污染对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧室性能影响的数值模拟

在超声速燃烧设备上进行了带凹槽的直连式双模态煤油燃料超燃冲压发动机污染与纯空气来流的对比试验.为了研究来流污染对超燃冲压发动机试验性能的影响,在相同的试验气体参数(马赫数为2,总温约为828K和总压约为800kPa)下,对带凹槽煤油燃料燃烧室进行了一系列对比燃烧试验.采用AHL3D软件对3个试验条件的燃烧室反应流场进行了数值模拟.计算和试验得到的压强分布比较接近且趋势一致.通过数值模拟获得反应流场的细节,探究污染影响的机理.      

污染效应对超声速燃烧室贫油熄火极限影响实验研究(流场诊断特别专栏)

针对污染效应对超声速燃烧室熄火性能影响问题,采用甲烷燃烧和电阻加热的燃烧室直连式对比实验方法,开展了污染效应对燃烧室贫油熄火极限影响研究。基于超声速燃烧室实验模型,研究了煤油喷嘴结构对贫油熄火极限的影响;采用高速摄像仪和平面激光诱导荧光技术（PLIF）,研究了加热方式对贫油熄火极限的影响,获得了光学测量结果和壁面压力分布,给出了纯净来流和污染来流条件下的燃烧室贫油熄火极限。研究表明：采用甲烷燃烧加热的燃烧室贫油熄火极限对应的当量比高于电阻加热的,分别为0.135和0.105;不同加热方式来流条件下,超声速燃烧室在燃烧不同阶段的稳定模式均为凹槽火焰稳定模式,火焰基底会呈现一定程度的脉动,但稳定在凹槽剪切层内。     

当量比分配对双级喷注超燃燃烧室性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响,对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供,总温为1231K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室,全局当量比恒定为0.8,采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ωSST模型来模拟湍流;离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程;部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用;煤油采用正癸烷(C_(10)H_(22))作为替代燃料,其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好,表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析,可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区,上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘,下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3,上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构,下游反应区则逐渐缩小;预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动,进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流,而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流;燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%,燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N;然而,燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响，对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供，总温为1231K，入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室，全局当量比恒定为0.8，采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ω SST模型来模拟湍流；离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程；部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用；煤油采用正癸烷(C10H22)作为替代燃料，其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好，表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析，可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区，上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘，下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3，上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构，下游反应区则逐渐缩小；预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动，进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流，而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流；燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%，燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N；然而，燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

超声速燃烧实验研究(Ⅱ)

用电弧加热空气,对带有突扩台阶后扩张形,入口M_a=2.1和3.0的超声速燃烧室进行了实验研究,并对两种不同燃烧室长度、煤油和氢气在垂直和平行喷射下的燃烧状况作了比较。     

污染效应对超声速燃烧室贫油熄火极限影响实验研究

针对污染效应对超声速燃烧室熄火性能影响问题,采用甲烷燃烧和电阻加热的燃烧室直连式对比实验方法,开展了污染效应对燃烧室贫油熄火极限影响研究.基于超声速燃烧室实验模型,研究了煤油喷嘴结构对贫油熄火极限的影响;采用高速摄像仪和平面激光诱导荧光技术(PLIF),研究了加热方式对贫油熄火极限的影响,获得了光学测量结果和壁面压力分...     

污染空气对氢燃料超声速燃烧室性能的影响

采用纯净空气和污染空气来流下对比试验的方法,研究了飞行马赫数4条件下H2O和CO2污染组分对氢燃料超声速燃烧室性能的影响。对比试验中针对纯净空气来流和污染空气来流匹配了来流总温、总压、氧气摩尔分数和当量油气比。完成了0.53和0.42两种当量油气比条件下纯净空气来流和污染空气来流的氢燃料超声速燃烧试验,预定考察的H2O污染组分摩尔浓度分别有7.5%,18%和26%三种,CO2污染组分浓度有3.0%和7.5%两种。研究结果表明,H2O,CO2或H2O+CO2组合污染对燃烧诱导压升产生了明显的非线性抑制影响,直接将污染试验空气来流下的试验结果外推应用到飞行条件,可能导致供油量偏大、甚至进气道不启动;同时也影响了隔离段内燃烧诱导激波链结构,使燃烧工作模态趋向于超燃模态。     

Experimental and Numerical Studies of Vitiated Air Effects on Hydrogen-fueled Supersonic Combustor Performance

This paper deals with the vitiation effects of test air on the scramjet performance in the ground combustion heated facilities. The primary goal is to evaluate the effects of H2O and CO2, the two major vitiated species generated by combustion heater, on hydrogen-fueled supersonic combustor performance with experimental and numerical approaches. The comparative experiments in the clean air and vitiated air are conducted by using the resistance heated direct-connected facility, with the typical Mach 4 flight conditions simulated. The H2O and CO2 species with accurately controlled contents are added to the high enthalpy clean air from resistance heater, to synthesize the vitiated air of a combustion-type heater. Typically, the contents of H2O species can be varied within the range of 3.5%-30% by mole, and 3.0%-10% for CO2 species. The total temperature, total pressure, Mach number and O2 mole fraction at the combustor entrance are well-matched between the clean air and vitiated air. The combustion experiments are completed at the fuel equivalence ratios of 0.53 and 0.42 respectively. Furthermore, three-dimensional (3D) reacting flow simulations of combustor flowpath are performed to provide insight into flow field structures and combustion chemistry details that cannot resolved by experimental instruments available. Finally, the experimental data, combined with computational results, are employed to analyze the effects of H2O and CO2 vitiated air on supersonic combustion characteristics and performance. It is concluded that H2O and CO2 contaminants can significantly inhibit the combustion induced pressure rise measured from combustor wall, and the pressure profile decreases with the increasing H2O and CO2 contents in nonlinear trend; simulation results agree well with experimental data and the overall vitiation effects are captured; direct extrapolation of the results from vitiated air to predict the performance of actual flight conditions could result in over-fueling the combustor, possible inlet un-start and inappropriate combustion mode transition. The detailed analysis and discussion are presented and the research conclusions are summarized.     

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

燃烧加热污染空气对煤油超燃冲压发动机性能的影响

针对目前超燃冲压发动机地面试验设备普遍存在的工质污染问题,采用经过验证的数值计算方法开展了燃烧加热污染空气对煤油超燃冲压发动机性能的影响研究.以飞行马赫数为6.0作为基准状态,分别对纯净空气来流和不同参数匹配方案的污染空气来流下发动机整机流场和性能进行了数值模拟.计算结果表明:在压力参数中选择匹配静压时最接近于纯净空气来流的结果,选择匹配总压时差别最大;在温度参数中选择匹配静温时最接近于纯净空气来流的结果,选择匹配总温时差别最大;压力参数匹配选择的影响更具有决定性作用,需要优先考虑.研究结果可为认识整机污染效应影响,确定污染空气来流下地面试验模拟准则提供理论依据.      

RP-3航空煤油替代燃料简化机理及其验证

选定正癸烷作为RP-3航空煤油单组分替代燃料,建立了一种包含36组分62步基元反应的简化机理.并设计了本生灯预混预蒸发试验系统对RP-3航空煤油的火焰进行了试验研究.同时,采用两种已被验证的煤油简化机理（分别为23步和38步）及62步简化机理对本生灯预混预蒸发燃烧火焰进行数值模拟,并将计算结果和试验数据相对比.结果表明：在轴向,温度和CO₂体积分数呈先上升后下降的趋势,并且温度在距喷口轴向距离为0.020m时达到最大值;而O₂体积分数呈现下降后上升的趋势,并且距喷口轴向距离为0.025m时达到最小值.与38步简化机理和23步简化机理所获得的数据相比,在各工况下,62步简化机理计算所获得的火焰温度分布和O₂体积分数分布与试验数据能很好地吻合;同时,62步简化机理计算的CO₂体积分数分布与试验数据变化规律基本一致,而23步和38步机理的计算结果只能保持和试验数据变化趋势的一致性.因此,选定的正癸烷可作为RP-3航空煤油的单组分替代燃料,并且所获得的62步简化机理能在较大范围内反映RP-3航空煤油的燃烧性能.     

污染对氢-空气燃烧影响的化学动力学分析

本文作了H_2O、O、H、OH和NO对氢-空气燃烧影响的化学动力学计算.计算范围是:压力0.02～0.2MPa,初始温度:910～2000K,当量油气比为1.0.有限速率化学反应模型包括38个反应式和13种组分的H_2-O_2-N_2系统,模型反应了氢-空气化学反应的当前最新研究成果.计算结果表明,在某些温度范围内,H_2O、O、H、OH和NO对着火时间有很大影响.反应时间并不受初始成份中自由原子和基的影响,但是初始成份中含有H_2O,将缩短反应时间.本研究关系到污染对燃烧的影响以及对于超音速燃烧冲压发动机地面试验的影响.燃烧化学动力学显然是污染影响中的一个重要因素.     

基于先锋氢点火和双凹腔火焰稳定的煤油超声速燃烧特性

采用先锋氢火焰点火方式和串联双凹腔火焰稳定机制,开展了模拟飞行马赫数4.0纯净空气条件下液态煤油燃料超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的试验研究。典型的燃烧室进口来流状态为马赫数2.0,总温约815K,总压700～800kPa。试验中上游凹腔采用喷油/点火一体化设计并几何结构保持恒定,分别研究了下游凹腔深度10mm,12.5mm和15mm时对煤油超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的影响;此外,通过串联双凹腔沿轴向后移及间距拉大,研究了其对煤油超声速燃烧特性的影响。试验结果表明:(1)采用先锋氢辅以火花塞点火方式可以可靠实现煤油燃料超声速点火,并最终实现自持稳定燃烧。(2)下游凹腔起到了很好的火焰稳定器作用,增大凹腔深度可以有效地增强火焰稳定性能,同时扩展火焰稳定的油气比范围。(3)双凹腔后移使得主燃烧区向下游移动,在相同油气比条件下有效缓解燃烧诱导压升对上游隔离段的扰动。     

Numerical study of test gas vitiation effects on hydrogen-fueled scramjet combustion

The effects of major vitiated species (H₂O and CO₂) and minor vitiated species (H,OH and O radicals) produced by combustion air preheater on ignition and combustion of hydrogen-fueled scramjet were numerically investigated.Firstly,kinetic analyses with CHEMKIN SENKIN code were conducted to evaluate the effects of contamination on the ignition delay times of hydrogen fuel over a range of temperature and pressure variations.Then numerical simulation of a three-dimensional reacting flow in hydrogen-fueled scramjet combustor was performed.The two-equation shear stress transport κ-ω turbulence model was used for modeling turbulence and 33 reactions finite-rate chemistry was used for modeling the H₂/air kinetics.The results show that: free radical species such as H,O,and OH may significantly promote the ignition process of hydrogen-air at relatively low initial temperature and pressure.However,H₂O and CO₂ have inhibition effects on the ignition process.Under the same conditions,H₂O has more effective inhibition effects than CO₂.The temperature and pressure rise due to combustion are lower in the air vitiated with H₂O and CO₂ because of their higher heat capacities and more dissociation.Combustion efficiency and thrust calculated for vitiated air case are lower than clean air case.These results indicate the importance of accounting for vitiation effects when extrapolating performance data from ground test to flight demonstration.