超燃冲压发动机双凹腔燃烧室氢气燃烧流场分析

为了比较超燃冲压发动机中双凹腔燃烧室相对于单凹腔燃烧室在促进燃烧方面的优势,运用高速摄影仪拍摄了氢气当量比为0.07时燃烧室中的火焰情况,结合数值仿真结果,得出如下结论:小当量比情况下氢气燃烧很稳定,燃烧区域主要集中于前凹腔的剪切层和该凹腔所围成的三角区以及该凹腔下游壁面位置,燃料喷口周围没有火焰;无论是串联凹腔燃烧室还是并联凹腔燃烧室,相同条件下燃烧时壁面压力均比单凹腔燃烧室高,串联凹腔之间的回流区为燃烧提供了有利的条件;在一定范围内,串联凹腔之间的距离越近,燃烧放热越集中,壁面压力越高.      

凹腔喷射超声速燃烧火焰结构实验研究

为加深对凹腔喷射超声速燃烧火焰结构的认识,利用OH基自发辐射成像和PLIF技术对凹腔上游横向喷注氢气的超声速燃烧流场进行研究.结果表明,火焰主要分布在凹腔剪切层附近及喷流内部,喷口附近没有火焰;燃料喷注当量比、燃料喷注位置及凹腔构型对火焰分布和火焰强度影响较大,在设计燃烧室时应加以考虑.     

凹腔底壁喷射位置的数值模拟与试验

为探究凹腔底壁不同喷射位置对碳氢燃料的燃烧性能的影响,在直联式超燃试验台上进行了凹腔底壁不同喷射位置的气态燃料(乙烯)、液态燃料(煤油)以及气泡雾化煤油(起泡气体为氢气、空气、氮气)的超声速燃烧试验。并针对凹腔底壁不同位置喷乙烯进行了数值仿真。通过分析燃烧室壁面压力与数值模拟结果得到:凹腔底壁不同喷射位置对气态燃料的点火性能影响不大,燃烧性能随喷点位置的后移下降。煤油通过靠近凹腔前缘的喷孔喷入可顺利点火,而通过靠近后缘的喷孔无法实现点火。应用氢气作为起泡气体的气泡雾化喷嘴后,实现了所有喷点的点火,但随着喷点位置的后移,煤油的燃烧性能下降。     

凹腔火焰稳定器阻力特性的实验研究

在超燃冲压发动机直连式实验中,模拟马赫数1.92、静温509K、静压86.6kPa来流,采用等截面燃烧室构型,利用推力测量系统对不同结构尺寸的开式凹腔火焰稳定器的冷流阻力和热试阻力进行了研究。通过对深度分别为10,15,20mm,长深比4~10,后壁倾斜角18°~60°的凹腔火焰稳定器的冷流阻力比较,实验表明凹腔火焰稳定器的冷流阻力与凹腔深度成正比;也与凹腔长深比成正比;并随后壁倾斜角的增大先减小后增大,在30°~60°范围内应存在一个角度使得冷流阻力最小。实验还以氢气为燃料,利用火花塞点火器进行点火,在燃烧模态下对不同喷注位置、不同当量比时的凹腔火焰稳定器阻力特性进行了对比,结果表明凹腔火焰稳定器的热试阻力比冷流阻力小,且受燃料喷注方式的影响较大;在实际超燃冲压发动机工况下,凹腔火焰稳定器的阻力随着当量比的增加而减小,并最终会表现为正推力。     

单凹腔驻涡燃烧室值班油气匹配研究

为开展单凹腔驻涡燃烧室值班油气匹配思路研究,采用试验研究方法,在燃烧室进口压力、温度以及马赫数分别为0.101MPa、487 K、0.25,燃料为航空煤油的条件下开展试验。试验中主要研究了4种不同总油气比FAR =0.0093、0.0124、0.0155、0.0186,以及对应相同总油气比下不同凹腔油气匹配思路。即通过更改凹腔进气结构,在总油气比一定的情况下,调节凹腔当量比Φca。研究结果表明：凹腔内的油气匹配对燃烧效率影响显著。当总油气比小于0.0155时,不同凹腔当量比的燃烧效率均随总油气比增加而增加;总油气比大于0.0155后,不同凹腔当量比的燃烧效率随油气比的变化规律有所差异,当凹腔富油时,燃烧效率减少;当凹腔由贫转富时,燃烧效率缓慢上升;进一步研究发现,凹腔当量比小于1.4时,不同当量比的燃烧效率随总油气比增加均有所增长,在凹腔当量比大于1.4后,效率有下降的趋势。因此,在总油气比相同,仅凹腔供油的工作状态,凹腔局部富油时的燃烧效率高于当量比为1时的燃烧效率。凹腔当量比1.4为仅凹腔供油燃烧的最佳当量比。     

模型冲压发动机低压条件下燃烧效率试验

在亚燃冲压发动机直连式高空试验系统上,实现了模型冲压发动机在40～60 kPa条件下的点火和稳定燃烧,研究了燃烧室构型、燃烧室入口来流条件以及燃料当量比对燃烧效率的影响。试验结果表明:低压条件下的燃烧效率比常压和高压条件下的燃烧效率都要低;但低压条件下燃烧效率随燃烧室构型、模拟来流条件和燃料当量比的变化规律与常压和高压下的情况基本一致,增加燃烧室长度、提高来流总压和总温、增大燃料当量比,降低飞行高度,以及增强煤油的雾化和混合,都有利于提高燃烧效率;与常压和高压下的情况不同的是减小凹腔长深比能进一步提高燃烧效率。     

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.      

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。     

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

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。     

当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响

为了研究当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响规律,采用控制变量法,保持内燃波转子转速、混气填充速度不变,通过调节燃料喷射体积流量改变混气的当量油气比。在不同的当量油气比下开展内燃波转子燃烧特性试验。试验结果表明:当量油气比对于内燃波转子燃烧过程影响很大,随着当量油气比的增加,内燃波转子获得的燃烧压力增益增大,在内燃波转子转速为900r/min、混气填充速度为6.741m/s、当量油气比为1.442时,6个工作循环内平均燃烧压力增益达到246.29％,火焰平均传播速度随当量油气比呈类似正态分布,在化学恰当比附近达到最大10.8m/s。当量油气比小于1时,两组工况下火焰锋面呈向下倾斜状传播,当量油气比大于1时,两组工况下火焰锋面呈向上倾斜状传播。      

马赫数为4的超燃发动机碳氢燃料点火试验

在直连式脉冲燃烧风洞设备上,开展了模拟马赫数为4,总温为935K的超燃发动机碳氢燃料点火试验.试验利用了点火器加引导氢气、引导氢气自燃辅助点火、节流加引导氢气3种辅助点火方式成功实现了乙烯燃料的点火并维持了稳定燃烧.试验研究发现:利用氢气自燃辅助乙烯点火,氢气质量流量范围为0.43~12.61g/s,氢气质量流量过大不能成功点火;利用节流加引导氢气的辅助点火方式,节流量为10%~30%,氢气注油压力为5MPa能够可靠点火.最后研究了乙烯从凹槽上游和从凹槽底部注油的发动机贫油点火极限和富油工作极限,研究发现两者的贫油熄火极限相近,为当量比为0.077,而富油工作极限差别较大,当量比分别为0.327和0.471.      

支板阻力特性实验

实验在超燃冲压发动机直连式试验台进行,燃烧式加热器出口气流马赫数为2.7,总温为1 337 K.利用推力测量系统对不同结构尺寸支板的冷流阻力和热试阻力进行了研究.比较了高度分别为37.5 mm和71 mm,后掠角分别为0°,30°和45°的支板冷流阻力,结果表明支板的冷流阻力随支板高度的增大而增大,随后掠角的增大而减小;实验还在燃烧模态下对不同当量比时支板的阻力进行了对比,结果表明支板的热试阻力比冷流阻力小,且支板的热试阻力随当量比的增加而减小.      

当量比对带凹腔超声速燃烧室流动及燃烧特性的影响

通过调节燃料氢喷射压力参数从而改变油气当量比,分别在冷态喷流与燃烧情况下计算了当量比对流场波系及燃料与空气的掺混、燃烧特性的影响.研究表明:增大当量比会增大燃烧反压,扩大上游边界层分离区,逐渐将激波串推向燃烧室进口;同时发现燃料与空气的混合性能在近场处受当量比影响较大,随当量比增大混合效果明显增强,而在远场处基本不再受当量比变化的影响;增大当量比一定程度增大射流穿透深度,但并不能明显改善燃料分布区不合理问题,导致燃烧效率随当量比单调下降;流场总压损失及凹腔阻力系数均同当量比成正比例关系,而流场摩擦阻力随当量比单调下降,且燃烧使摩擦阻力更小.      

平面激光诱导荧光技术在超声速燃烧中的应用

使用283.553nm的紫外激光激发对温度不敏感的氢氧基Q1(8)线,拍摄代表氢氧基浓度分布的受激荧光发射图像,以此来分析超声速燃烧火焰的结构。用这种方法研究了不同凹腔长深比、凹腔后缘倾角和不同燃料喷注方案对超声速燃烧火焰结构的影响。观察到了凹腔与激波对点火和火焰稳定的作用,凹腔长深比和后缘倾角对燃料穿透、混合和燃烧的不同扰动作用,以及火焰中存在明显的湍流结构和分区燃烧现象,并进行了简要分析。结果显示PLIF是超声速燃烧研究的有力工具。     

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

超燃冲压发动机不同燃烧室结构流场数值模拟

对带不同长深比凹腔结构（燃烧室）的二维超燃冲压发动机流场进行数值模拟,采用迎风二阶精度NND格式求解二维欧拉方程,对流场进行冷态数值计算,能够更加清楚地捕捉、分析激波的特点,反映流场的状态和旋流特点;结果证明凹腔可以使流场中形成低速高压回流区,以达到燃料混合燃烧的目的。凹腔长深比对流场特性、总压恢复、燃烧室阻力影响显著。随着长深比的越大,凹腔旋流强度越强,总压损失越大,燃烧室阻力越大。     

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。