Experimental Investigation of Hydrocarbon-fuel Ignition in Scramjet Combustor

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900K)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。     

煤油超燃冲压发动机两相流场数值研究 (Ⅲ)煤油在超燃流场中的多步化学反应特征

深入分析了煤油代用燃料C12H23的17组分30步反应模型在超燃冲压发动机流场内的细观化学反应动力学特征,结果表明：(1)该化学反应模型比较合理地描述了煤油在超燃流场内的裂解、点火、裂解产物的燃烧以及和NOx的生成等基本规律和特征,其中对于OH分布特征的预示和文献的利用PLIF的物理观测结果一致。不过,其单步裂解机制对温度场的预估偏高。(2)对导流型凹槽内的化学动力学特征分析表明,导流槽由于加强了凹槽外氧气向凹槽内的输运,使得凹槽内的燃烧得以强化,生成的CO2偏多。(3)煤油的化学反应动力学过程对于准确预示和评价煤油在超燃发动机内的燃烧状况及发动机整体性能有重要影响。     

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。     

当量比对氢燃料超燃燃烧室流场结构和燃烧模态影响研究

为了考察氢气当量比对超燃燃烧室流场结构和燃烧模态的影响,采用试验方法和多种测量手段对其进行了研究。试验在中国空气动力研究与发展中心1kg/s脉冲直连式风洞设备上开展,采用纹影、差分干涉、自发光照相和PLIF (Planar Laser-Induced Fluorescence)等光学测量手段观察了流场内激波串结构和火焰传播与稳定的形态,并进一步结合壁面压力数据分析了发动机的燃烧模态。研究表明:在来流为马赫数2.0,总温950 K,总压0.8 MPa的条件下,随着氢气当量比的增加,激波串头部的位置不断向隔离段上游推进,同时燃烧流场结构由稳定逐渐转变为振荡,发动机的燃烧模态经历了超燃、过渡和亚燃。当氢气当量比≤0.233时,发动机燃烧模态为超燃,燃烧流场结构稳定,火焰连续分布于凹槽下部剪切层内;当氢气当量比在0.233～0.279时,燃烧反压开始扰入隔离段内,发动机燃烧转变为过渡模态;当氢气当量比大于0.279时,发动机燃烧模态为亚燃,燃烧流场结构振荡且火焰分布为不连续的破碎状,燃烧反压逐渐前扰至隔离段中部位置。因此,氢气当量比对超燃冲压发动机燃烧流场结构和燃烧模态有较大影响。     

基于支板稳燃的超声速火焰特性研究进展

以超燃冲压发动机燃烧室为主要研究对象,对超声速气流中的火焰稳定机理及火焰传播特性的研究进展进行了综述,涵盖了不同稳燃器的超声速燃烧室中的火焰特性及火焰稳燃机理分析、火焰传播及振荡特性等研究内容,旨在揭示超声速气流中的火焰特征并进一步实现燃烧室的性能优化,以期对超声速燃烧室的火焰特性相关研究提供一定的参考。首先,从燃烧室流动及燃料驻留时间的角度分析了超声速火焰稳定的难点,进一步分析了超声速燃烧室中火焰稳定的基本判据,总结了当前两种主流的火焰稳燃模式,分析了支板稳燃器在增强燃料掺混方面的优势,并以支板稳燃为主要侧重点进行了后续火焰特性的研究;其次,从增加燃料驻留时间和减小燃料化学反应时间两个角度总结了当前实现超声速火焰稳定的基本方法及稳燃原理。最后,讨论了火焰稳定之后的燃烧室火焰动态特性,包括火焰传播特性和火焰振荡特性,为后续的燃烧优化提供参考。     

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。     

超声速燃烧中的特征尺度及影响因素

针对超燃冲压发动机典型的飞行条件,分别以氢气、乙烯和煤油(由质量分数为0.8的正十烷和0.2的三甲基苯化学替代)作为燃料,分析了超声速燃烧中的特征尺度及其影响因素,给出了细致的超燃冲压发动机工作范围,并探讨了火焰面模型在超声速燃烧数值模拟中的适用性.结果表明:从氢气、乙烯到煤油,超燃冲压发动机工作范围依次减少,丹姆克尔数(Da)呈现量级的变化,火焰模式以旋涡小火焰为主,其中Taylor尺度起着关键性作用.同时也发现:相对于亚声速燃烧,在超声速燃烧的数值计算中,对能否采用火焰面模型还需要更加仔细的考虑.      

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%。      

边界层抽吸对超燃冲压发动机流场特性的影响研究

为了解边界层抽吸对超燃冲压发动机流场的影响,采用风洞试验和数值计算对隔离段激波串特性以及燃烧室燃烧特性进行了研究。结果表明,在发动机入口马赫数2.0,总温950K,总压0.82MPa的来流条件下,当量比为0.18先锋氢气与不同当量比煤油共同燃烧呈不稳定状态,激波串在隔离段内前后振荡传播。当煤油当量比为0.29时,激波串振荡前缘远离抽吸位置,边界层抽吸对发动机流场基本没有影响。随着煤油当量比逐渐增大,激波串前缘位置到达抽吸区附近,边界层抽吸开始产生影响,改变了隔离段内的激波串动态演化过程、形态结构以及位置分布,同时有效提高了隔离段抗反压特性,使得煤油最大当量比可以由0.38增大至0.42。此外,边界层抽吸对发动机内的亚燃/超燃区域分布也会产生影响。     

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。     

超燃冲压发动机燃烧模态转换直连式实验研究

为获得燃烧模态转换过程对超燃冲压发动机工作特性的影响,在直连式实验台上,通过液态煤油流量的线性变化,开展了飞行马赫数4.5条件下燃烧室不同工作模态的转换实验。通过对特征位置和参数的监测,实现了燃烧模态的实时判别,获得了燃烧模态转换过程对发动机性能的影响规律。实验结果表明,在燃烧模态转换过程中滞环现象明显,燃烧室压力和发动机推力性能存在突变。在燃油流量以相同的速率增加和减小过程中发生模态转换时刻的燃油当量比存在差异,分别为0.55和0.488,两个转换点燃烧室比推相差8.05%。在滞环区间内,对于同一当量比,会存在两个不同燃烧模态,对应不同的发动机推力性能。     

气化煤油与乙烯超声速燃烧特性对比

为了研究燃料成分变化对超燃冲压发动机燃烧特性的影响,以气化RP-3(中国3#航空煤油)和乙烯为燃料进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=2.92,3.46,总温Tt=1430K。基于点火延迟时间、燃烧室壁面静压分布、推力增益和比冲,对比分析了两种燃料的超声速燃烧特性。结果表明,化学活性更高的乙烯比气化煤油具有更高的燃烧性能和燃料利用效率;Ma=2.92,当量比φ≈0.60和1.06时,乙烯的比冲比气化煤油分别约高15%和7.2%;当Ma增加到3.46时,相当的当量比下乙烯和气化煤油之间的比冲差距稍有扩大,约为18%和9.6%。燃烧室入口马赫数和当量比等工况参数对发动机燃烧特性有显著影响。燃料成分对发动机燃烧特性的影响随当量比的提高而弱化,但对燃烧室入口马赫数不敏感。     

氢燃料双模态冲压发动机火焰结构及其稳定机制的LES研究

为深入理解双模态冲压发动机内流场结构和燃烧特性，本文采用精细的有限速率化学反应模型，对凹腔内氢气直喷式超声速燃烧室火焰进行了大涡模拟研究。发动机隔离段入口马赫数为2.0，滞止温度和压力分别为950 K和0.82 MPa。定性和定量的验证分析表明，计算结果良好符合试验所反映的物理规律，再现了两种典型的工作模态及其稳焰模式。当量比为0.1时，发动机处于超燃模态，为凹腔剪切层稳焰模式；当量比为0.3时，发动机处于亚燃模态，为凹腔辅助射流尾迹稳焰模式，分离涡的大尺度脉动及凹腔回流区的缺失致使火焰剧烈振荡。同时采用改进的火焰因子和过滤函数详细分析了局部火焰特征和流动模式，观察到了不同规律的局部熄火现象，并且剧烈的流动振荡对于局部火焰结构的稳定性有着不利影响。     

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

释热分布对超燃冲压发动机性能的影响及优化

为了改进燃烧室、尾喷管的设计和优化燃料在燃烧室内的释热方案,建立了广义一维流动/释热分析方法,对超燃冲压模型发动机的主要性能参数进行了研究。通过与单凹腔模型发动机实验结果的对比,着重分析了燃料在燃烧室内不同的释热分布对模型发动机推力性能的影响,同时采用模拟退火优化算法对发动机燃烧室内释热分布和内流道作了优化,结果表明,在燃烧室内采用多阶段分散释热方案对模型发动机推力性能有较大的提高。     

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

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.      

煤油燃料超燃冲压发动机燃烧特性实验研究

为研究空气节流时序对超燃冲压发动机点火和火焰稳定的影响,本文通过实验方法研究了13个状态的煤油燃料超燃冲压发动机的燃烧特性,煤油燃烧通过先锋氢气和节流空气增强稳定性。通过两个固定位置的压力传感器来监测火焰稳定状态,采用纹影和OH-PLIF相结合的测量手段,获得了流场结构和火焰发展信息。发动机入口来流条件为Ma = 2.0,总温950 K,总压0.82 MPa。在空气节流的作用下,煤油被先锋火焰引燃;在先锋氢撤除后,煤油仍然可以稳定燃烧。在扩张段中,空气节流和燃烧共同作用产生的激波串移动速度约为52 m/s,但在凹槽内其速度仅为3.7 m/s。通过监测点压力变化情况可以区分所研究状态的火焰稳定与否,通过对13个研究状态的考察,获得了火焰稳定临界曲线。当所研究状态点在临界曲线右上方区域时,火焰状态稳定;当所研究状态点在临界曲线左下方区域时,火焰将被吹熄;当所研究状态点在临界曲线上时,火焰不稳定,在空气节流撤除之前将被吹熄。     

高温引气对亚燃冲压燃烧室性能影响的研究

将高温引气加热煤油的方法、凹腔火焰稳定器和支板喷注器结构应用于亚燃冲压发动机燃烧室中,以提高煤油的点火能力和火焰稳定性。采用有限体积方法求解雷诺平均N-S方程及组分方程,对无引气和有引气时燃烧室内的流场结构进行了数值研究,对比研究了引气温度对燃烧及发动机性能的影响。研究发现,引气温度越高,燃料喷注对流场和温度场的影响越小,燃料分布越均匀;与无引气相比,引入高温气体虽然使总压恢复系数有所降低,但是混合效率、燃烧效率和燃烧室比冲都有提高;特别是有引气(煤油温度T=500K)时,在喷注点后X=480mm处混合效率提高了7.03%并混合完全,在燃烧室出口总压恢复系数降低了5.34%,燃烧效率和比冲分别提高了17.51%和20.29%。引入高温气体加热液态煤油省略了煤油的雾化和汽化过程,增强了燃料与空气掺混,改善了燃烧稳定性,有利于提高燃烧室整体性能。     

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.