亚燃模态下释热分布对发动机性能的影响

为揭示释热分布对亚燃模态下超燃发动机性能的影响规律,对马赫数2.0,总温1100K,总压1.0MPa的来流,完成了燃烧室直连式实验和数值模拟研究。针对上游释热和下游释热条件,对比了发动机壁面压力分布,分析了内流道一维质量加权马赫数,获得了发动机部件和总体性能数据。结果表明,在总当量比相同情况下,上游释热能够获得更好的发动机性能,没有尾喷管时比下游释热获得的推力高出约18%,但在有尾喷管时只相差2.6%;对于本文构型,燃烧室和尾喷管是发动机推力的主要来源,两种释热分布下,二者产生的推力超过了发动机总推力的90%;但对于更高总当量比,上游释热可能会导致进气道不启动,需要增加下游释热获得更高的发动机性能。     

超燃燃烧室一维释热分布模型研究

为了预估超燃冲压发动机燃烧室内的释热分布,针对带凹腔稳焰器的燃烧室,总结了射流混合情况、来流温度和当量比对释热分布影响的实验规律,提出了主燃烧区的概念和分段线性拟合的建模思路。模型被分为隔离段、横向射流、燃烧室释热分布、主燃烧区反压四个部分。通过压力前推,进行代数的迭代计算,能够快速得到燃烧室释热分布的一维模型。利用实验图像和仿真计算数据,对模型得到的释热分布与燃烧效率进行了验证,模型可适用于隔离段来流2.1马赫以上的工况,且模型结果与仿真结果相关系数达到了0.9以上。     

基于火焰面和射流模型的双模态冲压燃烧室一维性能计算

为了快速地得到双模态燃烧室中的参数分布,采用射流模型,获得燃料混合分数的时均值、脉动值以及当量标量耗散率的时均值在双模态冲压发动机燃烧室中的三维分布;采用火焰面模型得到燃烧组分和释热分布,将三维信息通过流道横截面面积平均加入到一维非稳态计算模型,求解流动控制方程得到双模态燃烧室一维参数分布。通过不同类型算例验证,表明该方法能较准确地预测燃烧内壁面压力的变化趋势,克服了燃料射流非一维因素对一维计算方法带来的不利影响。     

多凹腔双模态冲压发动机燃料喷注方案试验研究

为了更深入地了解和掌握多凹腔双模态冲压发动机的燃料喷注方案对燃烧室流场结构和工作性能的影响,开展了模拟飞行马赫数4.5~5.0及总温1048~1231K范围内变化的多凹腔双模态冲压发动机地面直连试验。通过试验,得到了不同喷注当量比、喷注位置或喷注级数条件下稳定的壁面压力分布和出口总压数据,并采用一维冲量分析程序对试验数据进行了详细处理和分析。结果表明:提高喷注当量比能有效地提高发动机的推力,但燃烧效率和发动机比冲会降低;将燃料喷注位置提前能使发动机的燃烧效率和推力分别提高5.6%和4.4%;燃料的分配方案对燃烧室的流场结构有明显影响,热力喉道的位置随燃料更集中地在下凹腔喷注而更靠下游,且要形成该热力喉道则需加入更多热量;采用上下游的两级喷注能形成较宽范围的亚声速区,有利于燃料的燃烧释热,可使燃烧室效率和发动机推力分别提高10.4%和10.8%。     

两种燃烧加热风洞参数匹配方案的比较

燃烧加热风洞中的地面高超声速试验通常模拟真实飞行状态下的静温,静压,马赫数(TPM)或总焓,动压,马赫数(h0QM)。为弄清气流参数匹配方式对发动机性能的影响及其机理,基于准一维带化学反应数值模拟对这两种典型匹配方案获得可靠的燃烧室压力分布与发动机推力及比冲的能力进行了比较。结果表明,对于氢燃料加热气流,若燃烧室内未出现明显的局部热壅塞引起的激波结构,TPM匹配方案能较好模拟纯空气流动当量比相同时的压力分布;h0QM匹配方案则能更好模拟燃料量相同的情况;对于模拟燃烧室热壅塞效应,h0QM匹配方案表现更好。从模拟发动机推力的角度来说,两种匹配方案均可通过调整燃油量达到与纯空气结果的较好契合,不管燃烧室内是否出现壅塞激波结构;从模拟燃料比冲的角度来说,则h0QM匹配方案更可靠。燃烧释热比不同是导致两种匹配方案表现不同的关键原因。对于酒精燃料加热气流,两种匹配方案下发动机性能相仿;但此时污染效应更强,给优化匹配方案以准确模拟发动机性能带来更多挑战。     

燃烧室长度对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,通过分别改变燃烧室等直段长度和扩张段长度,对不同总长的燃烧室工作过程进行数值模拟.采用基于压力的2阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(finite-rate/eddy-dissipation),湍流模型采用SST(shear stress transport) k-ω模型.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分别分析了不同长度,即不同等直段长度或扩张段长度下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化.结果表明:随着等直段长度的增大,燃烧室出口处燃烧效率逐渐减小,从72.74%降低至66.81%,而燃烧室内总压损失逐渐减小,燃烧室推力逐渐增大,可由85.83N增加至108.55N;改变扩张段长度,发现扩长段长度变化对燃烧室流场结构的影响较小,随着扩张段长度的增大,燃烧室出口燃烧效率和燃烧室推力都略微减小.在燃烧室长度的设计范围内,增大等直段的长度要比增大扩张段长度对提升燃烧室各项性能有帮助.      

并联凹腔火焰稳定器超声速燃烧特性实验研究

为研究并联凹腔火焰稳定器的超声速燃烧特性,通过在凹腔上游喷注乙烯,采用单边扩张型燃烧室在当量比φ=0.43~1.07内进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=3.46,总温Tt=1430K。基于燃烧室壁面静压分布、推力增益、燃料比冲和燃烧流场的可见光与纹影图像分析了并联凹腔在不同当量比下的火焰结构、流场特征和燃烧性能。结果表明,上、下壁面凹腔附近的流动条件差异显著,燃烧过程与当地流动条件之间的强烈耦合作用使得燃烧室内火焰分布显著不对称。发动机燃烧性能对当量比十分敏感,壁面静压水平和推力增益随当量比增加持续升高,但φ=0.43~0.62时的增加速率远大于φ=0.76~1.07时的。φ=0.43~0.62时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而升高;而φ=0.76~1.07时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而降低。     

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。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

等直段直径对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

为了研究燃烧室内等直段直径的尺寸对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能及流场特性的影响,基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,对不同等直段直径燃烧室工作过程进行数值模拟。采用基于压力的二阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation),湍流模型采用SST k-ω模型。PMMA燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分析不同等直段直径下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化。数值模拟结果显示:随着等直段直径的增大,燃烧室可由壅塞状态转变为超声速流动状态,增大至某一数值(约为16.5mm)附近时,燃烧室出口可以达到完全膨胀状态。同时,燃烧室的燃烧效率逐渐增大,出口处燃烧效率由62.45%增大至72.74%。总压损失也逐渐增大,出口处最大值可达52%,而燃烧室推力逐渐减小。     

超音速燃烧冲压发动机最佳设计参数

本文对超音速燃烧冲压发动机设计参数进行优化。从产生推力与发动机热力循环两方面综合分析得到了以下结果:作为空天飞机动力装置的超音速燃烧冲压发动机,在M_H=6-6.6飞行范围内,按照等面积和等M数分段加热的热力循环设计时,比冲最大;在M_H=6.6-10飞行范围内,按照等面积和等温分段加热的热力循环设计时,比冲最大。从而得到最佳设计参数,并在此基础上,用一元流方法计算了有面积变化,有化学反应、摩擦和散热损失时,超音速燃烧冲压发动机的性能。     

超燃冲压发动机流量匹配的临界流量法

为了使用基于积分方程的超燃冲压发动机性能计算模型模拟跨燃、亚燃工作模态,用临界流量法建立用于表征燃烧室热壅塞程度的残差方程,并以隔离段出口静压为独立变量,通过牛顿迭代法迭代求解残差方程,模拟了燃烧室内存在临界截面（即喉道）但不出现热壅塞的实际跨燃、亚燃工作状态。结果表明：该方法能够确定有喉道的超燃冲压发动机燃烧室一维参数分布,并具有计算精度高、计算速度快、收敛性好等优点,可以为基于积分方程的超燃冲压发动机性能计算模型求解提供一定的参考。     

超燃冲压发动机内流性能的一维评估

在准一维Eu ler方程的基础上,通过增加反映面积变化、摩擦、添质和化学反应放热的源项,发展了超燃冲压发动机推进流道计算的一维软件,可以在很短的时间内提供发动机的推力和摩擦力,同时给出发动机参数沿轴向的变化和出口值。通过日本国家航空与航天实验室(NAL)的双模态模型氢反应流场计算验证了软件的可靠性后,针对煤油发动机,分析了隔离段和燃烧室扩张角、燃料喷射位置与方式、化学反应放热项的两种不同求解方法、隔离段高度对燃烧室性能的影响,为飞行器设计配备了能稳定激波且性能较好的发动机构型。     

超燃冲压发动机性能初步研究

介绍了北京动力机械研究所进行的超燃冲压发动机初步研究。该方面研究包括超声速燃烧初步试验研究、双模态超燃冲压发动机燃烧室计算模拟和试验研究、高超声速进气道研究、超燃冲压发动机模型自由射流试验研究,获得了良好的高超声速进气道和超燃冲压发动机的工作性能。     

超燃冲压发动机燃烧室构型对燃烧室性能影响

在超燃冲压发动机直连式试验台上,通过调节超燃冲压发动机燃烧室壁面扩张角和燃料喷注位置,对燃烧室构型进行了试验优化,并定量分析了燃烧室构型对燃烧室性能的影响。采用正交试验设计方法组织燃烧室形面调节,每个形面进行5种喷注位置的试验,每次试验通过文氏管调节燃料流量实现3个当量比的燃烧室工况。利用试验数据构造了燃烧室性能关于构型参数的响应面模型,经两次渐进优化获得了最佳燃烧室构型,其推力增益比基准构型增大了10.4%;试验误差小于5.0%,且试验调节参数基本呈正态分布;参数影响分析表明燃烧室性能受各耦合因素的强烈影响,各因素影响的差异不显著,且较小的第1级、第2级扩张角和较大的第3级、第4级燃烧室扩张角以及适当集中靠前喷油、适当提高当量比有利于获得更高的燃烧室性能。     

Criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification

Hypersonic airbreathing propulsion is one of the top techniques for future aerospace flight, but there are still no practical engines after seventy years' development. Two critical issues are identified to be the barriers for the ramjet-based engine that has been taken as the most potential concept of the hypersonic propulsion for decades. One issue is the upstream-traveling shock wave that develops from spontaneous waves resulting from continuous heat releases in combustors and can induce unsteady combustion that may lead to engine surging during scramjet engine operation. The other is the scramjet combustion mode that cannot satisfy thrust needs of hypersonic vehicles since its thermos-efficiency decreases as the flight Mach number increases. The two criteria are proposed for the ramjet-based hypersonic propulsion to identify combustion modes and avoid thermal choking. A standing oblique detonation ramjet (Sodramjet) engine concept is proposed based on the criteria by replacing diffusive combustion with an oblique detonation that is a unique pressure-gain phenomenon in nature. The Sodramjet engine model is developed with several flow control techniques, and tested successfully with the hypersonic flight-duplicated shock tunnel. The experimental data show that the Sodramjet engine model works steadily, and an oblique detonation can be made stationary in the engine combustor and is controllable. This research demonstrates the Sodramjet engine is a promising concept and can be operated stably with high thermal efficiency at hypersonic flow conditions.     

基于多核并行计算的超燃冲压发动机一维模型实时性研究

在发动机控制系统设计中,为了缩短设计周期、降低研发成本,需要建立面向控制的、较为精确的、实时性高的超燃冲压发动机性能计算模型,以保证模型精度、提高计算速度为研究目标,基于多核高性能计算仿真平台,开展了面向控制的超燃冲压发动机一维模型实时性优化工作。运用简化计算流程、改进C语言程序、开拓缓存区等方法有效提高了一维模型计算速度。创新性地尝试了计算流体力学并行化方法,对隔离段和燃烧室一维模型进行结构分解。计算网格平衡分配至多个中央处理器,并借助核间数据通讯实现多核并行计算。与串行模型计算结果对比,七核并行计算模型性能参数偏差不超过0.1%,全工况仿真时间小于30ms,计算耗时较优化前缩短了75%以上。实时性优化后的多核并行模型计算精度高、速度快、收敛性好,可以作为超燃冲压发动机控制系统设计和半实物仿真验证平台。     

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。     

超音速燃烧室性能非定常准一维流数值模拟

完成了超音速燃烧室内非定常准一维流的数值模拟研究。数学模型综合计及了面积变化、物质添加、化学反应、燃烧室壁面散热、壁面摩擦和变比热等各种影响因素,准确地计算出双模态超音速燃烧室的总过程,其主要优点是在未知激波位置情况下,可以分析处理非定常的工作过程。     

进气道内压缩比对固体燃料超燃冲压发动机性能的影响

为研究固体燃料超燃冲压发动机进气道与燃烧室的匹配特性,以飞行马赫数为6、飞行高度为25km为设计点对发动机各部件进行初步设计,采用数值模拟方法计算了一系列具有不同进气道内收缩比的发动机模型.结果表明:在保持燃烧室结构不变的条件下,发动机推力与比冲随进气道内压缩比增大开始显著下降,随后小幅上升;在保持燃烧室入口面积扩张比不变的条件下,发动机总体性能随进气道内收缩比的增大而提高.在满足进气道起动与燃烧室火焰稳定的前提下,发动机设计应采用尽可能大的进气道内收缩比与尽可能小的燃烧室入口面积扩张比.