固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA自点火性能数值研究

以PMMA为燃料对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的自点火性能进行了数值仿真研究。基于热解气体有限速率/涡耗散燃烧模型,通过求解装药壁面和内流场耦合的一维导热方程,得到稳态构型下的燃面退移率,数值结果和实验测量值吻合得较好。研究了进气流量、总温和燃烧室构型对自点火性能的影响,结果表明:成功自点火和未自点火的燃烧室内流场有明显差异。存在进气贫氧、进气富氧和进气总温自点火极限;提高进气总温有利于拓宽贫氧极限和富氧极限之间的范围。凹腔长度不足,即使增深凹腔也不能实现自点火;凹腔深度不足,即使加长凹腔也不能实现自点火;较长较深的凹腔能够实现自点火。平直段直径越大,越不利于自点火的实现。     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中火焰稳定性数值研究

对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA的燃烧过程进行了基于动网格技术的非稳态数值仿真研究。基于超声速流中的耦合传热及质量注入建立了固体燃料燃烧的数值模型,研究了燃烧室构型和进气总温对固体燃料燃烧特性的影响。结果表明:和实验数据对比证实了本文数值模型的正确性。固体燃料超燃冲压发动机能够实现自点火建压和维持燃烧。在燃烧过程中,装药壁面燃速分布不均匀,凹腔逐渐变得扁平。随着主流流速增加和通道的扩大,凹腔的火焰稳定能力降低,直至熄火。初始凹腔较深、进气总温较高时有利于稳定火焰。当进气总温提升400K时,工作时间和燃料消耗量提高1.8倍。     

碳氢燃料超燃冲压发动机支板凹腔一体化稳焰性能研究

为了提高超燃冲压发动机中支板/凹腔组合构型燃烧效率,通过数值仿真对采用支板/凹腔四种组合构型的燃烧室流场进行了研究,重点分析了不同组合构型对煤油燃烧性能以及凹腔质量交换特性的影响。结果表明:带后缘支板不仅能够提高主流与凹腔的质量交换律,并且能够扩大支板后部低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高2.8%~5.8%;采用双凹腔构型与采用单凹腔构型相比虽然不能提高单个凹腔与主流的质量交换律,但是增大了燃烧室低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高了4.5%~8.8%;在相同来流工况下,不同支板/凹腔组合构型燃烧室的总压恢复系数相近,随着来流马赫数增大总压恢复系数随之下降。      

部分覆盖构型对凹腔冷态和燃烧流场的影响

为了研究凹腔部分覆盖构型对燃烧室流场的影响,采用SST k-ε湍流模型和有限化学速率/涡破碎模型,对部分覆盖型凹腔的冷态和燃烧的二维流场进行了数值仿真。比较了贫燃和富燃条件下,覆盖板对凹腔燃料分布、流场温度和燃烧效率的影响。研究发现贫燃下,覆盖板有利于凹腔内燃料的积累,提高了凹腔的火焰稳定性,同时由于点火适宜的当量比区域位于凹腔内低速区,增强了凹腔点火能力;富燃下,覆盖板使凹腔内富燃环境进一步恶化,降低了凹腔的火焰稳定性和燃烧效率,主要燃烧区部分向下游转移。     

三维超声速燃烧室凹腔构型的优化设计及参数分析

凹腔构型对超声速燃烧室的燃烧效率、阻力特性、火焰稳定等性能都有重要的影响,且凹腔构型各参数变化产生的影响存在复杂的耦合作用。因此,针对横向喷射燃料的三维超声速燃烧室凹腔构型进行了基于代理模型的优化设计及参数分析研究。首先对凹腔的长度、深度和后壁倾角进行正交试验设计,数值仿真用以对凹腔燃烧室进行流场与性能分析,建立燃烧室燃烧效率和总压恢复系数与设计变量间的代理模型,根据基于替代模型的复杂系统优化策略,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对凹腔构型进行二次优化设计,得到Pareto前沿面。结果分析表明,优化凹腔构型可分为窄深型、浅长型和中深中长型,分别对应Pareto前沿面的急变段、平缓段和巨变段;凹腔燃烧室的燃烧效率与凹腔长度呈负相关,与凹腔深度呈正相关,总压恢复系数反之;后壁倾角对总压恢复系数和燃烧效率影响均较小。平缓区的燃烧室压力幅度变化小且总压恢复系数高,其长深比在2.67~8,在不需要极高的燃烧效率情况下,可以优先选择平缓区凹腔构型。     

基于高速摄影图像处理统计分析的点火过程试验

针对空气来流马赫数为2.1、总温为846K,总压为0.7MPa的条件下凹腔内的强迫点火过程,利用高速摄影观测了凹腔主动喷注方式的乙烯强迫点火试验.基于高速摄影图像的合成分析和概率统计,提出了能够定量分析出点火过程凹腔火焰稳定和燃烧室火焰分布的试验研究方法;利用该研究方法,采用主动喷注方式在全局当量比为0.15和0.17(相应的主动喷注当量比分别为0.04和0.06)的条件下,对比研究了采用凹腔后壁面喷注的喷注方案和采用凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方案的点火试验过程;定量分析了这两种喷注方案点火后的凹腔火焰稳定和燃烧室内的火焰分布.当凹腔主动喷注当量比为0.04时,点火凹腔内并没有形成良好的局部压力反馈,火焰在点火凹腔内常以不连续形式稳定存在.当主动喷注当量比达到0.06时,整个燃烧室的火焰分布要更加均匀.针对超声速来流条件下的点火过程瞬态图像,该方法能够有效地开展定性分析和定量研究.      

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。     

凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验

在来流总温为1486K、总压为1.6MPa、马赫数为2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验,研究了喷嘴孔径、喷注位置对点火性能的影响.结果表明:上游凹腔底壁大孔径喷嘴喷注燃料,下游凹腔点火的方案点火性能高,在煤油总体当量比为0.102~0.206范围内均可实现成功点火与稳定燃烧;燃烧反压向上游的传播过程具有明显的滞后性且与分离区的形成过程紧密耦合;燃料喷注方案决定了煤油雾化燃料场的分布,燃料的分布特征又决定了点火特征.      

超声速气流中电火花塞直接点燃煤油过程试验研究

在来流总温1486K,总压1.6MPa,马赫数2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了电火花塞直接点燃航空煤油的试验研究。利用高速摄影相机进行观测,对比了不同煤油喷注方案和点火位置对火核生成和火焰传播的影响。通过上游凹腔前壁面水平喷注煤油、下游凹腔点火的方案可靠性高,在煤油与空气混合气的当量比为0.04~0.063均可实现煤油成功点火和稳定燃烧;串联凹腔构型可以提高点火性能的主要原因有两方面:一是下游凹腔有稳定火焰作用,火焰在边界层内逆流传播实现对上游凹腔的能量反馈;二是煤油蒸发、混合距离长,通过近壁区进入下游凹腔,形成了更为适宜的点火环境。     

采用离心喷嘴的单凹腔驻涡燃烧室点火与贫熄特性

为了研究单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火特性,设计了一个带扩压器和内外机匣的单凹腔驻涡燃烧室矩形试验件,采用试验研究和半经验分析相结合的方法对其点火和贫油熄火进行了研究。试验在常压状态下进行,采用RP3航空煤油作为燃料,所用供油喷嘴为空心锥离心喷嘴,试验中的进口空气温度在287~487K变化,进口空气流量在0.2109~0.4219kg/s变化,对应进口马赫数从0.15变化到0.31。结果表明:单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火油气比均随着燃烧室进口温度和进口流量的增加而减小,单凹腔驻涡燃烧室的点火油气比比贫油熄火油气比约大50%。经过半经验分析,得到了影响单凹腔点火和熄火的综合参数A,该参数能够较好地解释和评价各种因素对贫油熄火的影响。     

超音速燃烧室碳氢燃料点火实验研究

模拟飞行Ma =3 5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件 ,采用氢为先锋火焰 ,在氢氧燃烧加热脉冲风洞上 ,对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究 ,实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布 ,并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明 ,在燃烧室进口温度较低 (小于 90 0K)的条件下 ,在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难 ,采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

燃料引射方式对超燃冲压燃烧室混合及燃烧效率的影响

应用含组分守恒方程的质量平均Navier Stokes方程和B L代数湍流模型,数值模拟了后台阶构型燃烧室在采用台阶上游支板引射和壁面垂直引射燃料时的内部流场。在计算过程中,对方程的对流项采用空间为二阶精度的TVD格式,扩散项则采用二阶中心差分离散。通过流场计算,对比研究了引射方式对燃料混合性能的影响。结果表明,台阶上游的支板在燃烧室的流场中产生了一对相对稳定的大尺度轴向旋涡,该旋涡不利于燃料的混合。采用壁面垂直引射时,在喷嘴下游的燃料流场中产生了小尺度轴向旋涡,该旋涡是提高燃料混合及燃烧效率的关键。     

超声速燃烧凹槽火焰稳定的研究动态

高超声速气流在燃烧室的停留时间非常短，使得超燃冲压发动机燃烧室内燃料与气流的混合及其燃烧变得非常困难。目前集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽有望改进这一情况而受到了普遍关注。介绍了超声速气流流过凹槽的自激振荡及其控制、停留时间和阻力等特性，总结、分析了近几年凹槽在超声速气流中增强混合及燃烧的实验与数值研究，指出了在把凹槽用于提高超燃冲压发动机性能方面存在的问题和进一步研究的方向。     

采用固体燃料的超燃冲压发动机研究进展

对采用固体燃料的超燃冲压发动机构型方案进行了归纳总结,详细的介绍了不同构型方案的发展历程和研究现状.针对固体燃料构型、双燃烧室构型和固体火箭构型3种不同构型的工作特点,分析了各自的优势和存在的问题,并在此基础上对其后续的研究提出了建议.研究认为:固体燃料构型方案虽能实现固体燃料在超声速气流中的点火及稳定燃烧,但燃料燃烧效率较低,且难以长时间稳定工作;固体火箭构型方案有利于燃料的点火和稳定燃烧,可实现发动机的长时间稳定工作,具有更好的研究和应用前景.      

基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

超燃冲压发动机支板喷射燃料的燃烧过程试验

利用高速摄影和高速纹影对超燃冲压发动机支板喷注燃料的燃烧流动过程进行了试验研究,结果表明:燃料喷注器与火焰稳定器之间的相对位置,对流场的火焰结构和发动机性能有较大的影响,支板侧喷较尾喷方案具有更好的燃烧效果.燃烧与流动强烈耦合,燃烧放热使得燃烧室压力升高,改变了上游来流流场结构,流场结构的改变同时又影响到了燃料的喷注、扩散和混合过程.      

超燃冲压发动机燃烧室的准一维计算与分析

在考虑有限速率化学反应的准一维Euler方程基础上，通过增加截面面积变化、壁面摩擦和添质的源项，发展了适用于超燃燃烧室性能分析的准一维计算方法。依次以中国空气动力研究与发展中心（CARDC）和日本国家航空与航天实验室（NAL）的氢燃料燃烧室模型作为验证算例，分别采用传统的一步反应模型和发展的有限速率反应模型，模拟了燃烧室流场，并基于NAL燃烧室，计算分析了不同当量比和进口压强对燃烧室流动特性的影响。结果表明：两种方法都能得到与实验数据吻合良好的结果；和一步反应模型相比，有限速率反应模型不仅可以更细致地捕捉流场细节，而且能够初步分析化学非平衡效应的影响；对于NAL燃烧室，当量比≥0.6时，压强随当量比的升高而增大，当达到1.0时，反压已推进隔离段，且推进速度随当量比增大而增加；进口压强不大于110.444kPa时，反压随进口压强增大而升高，且当反压不小于82.833kPa时，反压被隔离在等直段燃烧室入口处；过小的当量比和过大的进口压强均会导致燃烧室出口马赫数严重下降，甚至出现亚声速出流状态。     

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...     

微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧

为了研究微波增强滑移电弧等离子体对超声速燃烧火焰结构的影响，在超燃冲压发动机直连式实验台发动机模型加装了微波和滑移电弧结构，进行了超声速稳定燃烧实验。以单级凹腔作为火焰稳定器，燃烧室来流马赫数为2.5，常温乙烯从壁面横向射流，燃料射流点之前放置滑移电弧电极，凹腔对侧馈入2.45 GHz的微波。研究表明，在超燃冲压发动机燃烧室内滑移电弧同样遵循放电和扩展的周期特性，由于气流流速极高，滑移电弧周期约达125 kHz。等离子体的加入使燃烧室预燃激波串前移，火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向燃料射流前部转移，超声速火焰燃烧速率提高。与单一的微波或滑移电弧等离子体增强燃烧方法相比，微波与滑移电弧的结合可在较低的能耗下，实现与高功率微波等效的效果。微波增强滑移电弧等离子体能够对超声速燃烧起到稳定作用。     

超燃冲压发动机燃烧室流场数值模拟

对台阶和凹腔组合的超燃冲压发动机燃烧室结构进行了数值模拟分析。在冷态流场中,分析了组合结构流场特性和激波特点,同时对以氢气为燃料的燃烧室流场进行了数值模拟。模拟结果表明：台阶下游和凹腔处存在有利于燃烧和火焰稳定的回流区,能够增强凹腔卷吸的效果,从而可以增强燃料的混合;在燃烧流场中,凹腔是火焰稳定的主要区域,燃烧效率较高,此结构能够很好地起到增强燃烧的作用。