环形燃烧室周向点火机理基础研究进展

先进航空发动机普遍采用环形燃烧室结构，其周向点火联焰机理对发动机点火可靠性具有重要研究价值。由于实验室尺度模型实验成本低、测量精度高，已经逐渐成为实验研究环形燃烧室点火机理的重要途径。本文介绍了国内外几种典型的实验室尺度环形燃烧室模型及其相关研究，包括法国巴黎中央理工大学EM2C实验室的MICCA燃烧室模型；剑桥大学的预混/非预混环形燃烧室模型；慕尼黑工业大学的缩比燃气轮机环形燃烧室模型；浙江大学的环形燃烧室和涡轮耦合的TurboCombo模型。环形燃烧室周向点火过程一般分为3个阶段:（1）初始火核的形成；（2）火核扩张发展，在点火针附近喷嘴处形成单个稳定的旋流火焰；（3）火焰沿周向传播，依次点燃全部喷嘴后稳定燃烧。影响周向点火联焰过程的因素众多，机理复杂，已有的实验和数值计算对当量比、点火模式、热功率、流速、喷嘴间距等因素影响下的点火、熄火、火焰传播模式、周向点火时间等特征规律进行了丰富的研究。近年来，在环形燃烧室模型上也逐渐开展了气液两相喷雾燃烧的相关研究。同时，高时空分辨率的先进激光诊断方法的引入也将进一步推动点火机理的更深入研究。     

超声速气流中的煤油喷雾研究

为了强化液体燃料超声速燃烧 ,注入的液体燃料以喷雾 (SprayAtomization)的方式 ,以便加速蒸发和混合。油雾直观图像对研究喷雾燃烧的内部复杂现象有很大帮助。由于实验上的困难 ,超声速气流中的喷雾图像较为罕见。笔者给出超声速气流中显示煤油喷雾的一种简单、实用方法。实验在一直联式超声速燃烧实验装置上进行 ,实验结果表明 ,煤油射流垂直注入超声速气流产生的油雾发展过程与气体射流基本相似 ,喷雾穿透深度与扩张随压力雾化喷嘴的压力增加而增加     

加热方式对煤油燃料超声速燃烧室性能影响

采用电阻加热燃烧室直连式试验台和甲烷燃烧加热燃烧室直连式试验台，开展了来流加热方式对煤油燃料超声速燃烧室燃烧性能的影响研究。在对比试验中，燃烧室入口纯净空气来流和污染空气来流均保持总温840K、总压820kPa和马赫数2.0的条件。利用高速摄像技术拍摄了煤油燃烧可见光图像，经分析处理得到了煤油燃烧火焰向主流的传播角度。对比试验结果显示:与电阻加热试验来流相比，甲烷燃烧加热来流的燃烧室壁面压力峰值下降了3.1%~6.9%，煤油燃烧可见光火焰向主流的传播角度缩小了7.1%~12.4%。     

单头部燃烧室流场PIV试验测量

航空发动机燃烧室内流场结构直接影响燃油雾化、油气掺混以及燃烧性能,本文采用粒子图像速度仪(Particle image velocimetry,PIV)对某单头部基准燃烧室内的冷态流场和燃烧流场分别进行了试验测量。在冷态流场试验中,研究了进口空气流量变化对燃烧室内的流场结构、回流区尺寸大小变化的影响规律;而燃烧流场试验测量分别研究了进口空气流量和油气比变化对燃烧流场结构的影响。试验结果表明:由于下壁面中间主燃孔进气射流的强烈影响与挤压,导致旋流器出口处横向截面上的旋转气流不是一个完整的旋流气流;燃烧流场与冷态流场相比,其流场结构基本相似,但中心回流区宽度稍变瘦,随着油气比的增大,中心回流区逐渐变瘦,宽度变窄;随着油气比的增加,轴向速度逐渐变大、回流负速度变大;燃烧流场测量中,在燃烧室头部较好地捕捉到喷嘴喷出的油雾锥上油珠的速度大小。     

脉冲燃烧风洞与连续燃烧风洞数据相关性研究

燃烧加热风洞是目前开展超燃冲压发动机地面模拟试验的主要设备。燃烧加热风洞的试验时间（脉冲式和连续式）及燃烧方式（氢-氧燃烧、碳氢-氧燃烧）均会对发动机试验结果产生一定影响。研究了氢-氧燃烧脉冲风洞与氢-氧燃烧连续风洞、酒精-氧气燃烧连续风洞的数据相关性。研究表明:对于同为氢-氧燃烧的脉冲风洞和连续风洞，在相同试验状态下，发动机推进流道压力系数分布规律一致，连续风洞试验的燃烧室压力高于脉冲风洞试验值，连续风洞的发动机推力收益比脉冲风洞高10%左右；对于氢-氧燃烧脉冲风洞和酒精-氧气燃烧连续风洞，发动机推进流道压力系数分布规律一致，连续风洞试验的燃烧室压力高于脉冲风洞试验值，连续风洞的发动机推力收益比脉冲风洞高5%左右。     

煤油-氢双燃料超声速燃烧点火特性研究

煤油 氢双燃料的超声速燃烧室中的自点火和燃烧稳定特性在直联式试验装置上进行了实验研究。实验空气总温 1 650～ 1 980K ,总压基本保持在 1 .8MPa左右 ,燃烧室进口M数为 2 .5。用激光粒度仪测量了在加压下煤油的雾化程度。为了寻找能点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比 ,设计加工了四种不同构型引导火焰与凹稳焰一体腔结构 ,利用氢引导火焰局部地加速煤油的化学反应和凹腔的联合促进作用与优化结合 ,发现在没有强迫点火能源条件下点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比能降低至 0 .0 3。燃烧室的性能用简化的一维计算机程序SSC - 3作了初步估算。在长度 42 5mm的燃烧室中获得了煤油的燃烧效率 50 %。引导火焰凹腔一体化结构对点火特性和性能的影响作了讨论     

碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验，使用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）观测了煤油和OH的分布，结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内，随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内，主要分布在下壁面附近的流场中，燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用，进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物，使得火焰基底能够稳定在剪切层内，并以相对固定的角度向主流流场中传播。     

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。     

空气/酒精单喷嘴燃气发生器试验研究

针对引射系统的安全性、经济性及小型化要求，提出了一种基于航空发动机燃烧室结构的双油路燃气发生器方案，并设计、加工了单喷嘴试验件，进行了多工况下的热试车。试验结果表明，燃气发生器设计方案可行，采用高能火花塞直接点火方式可实现燃气发生器可靠点火；燃气发生器点火迅速，主要工作参数基本满足设计指标；能在较宽的流量范围内稳定工作，余气系数下限达到3.9；燃气发生器燃烧效率较高，但随着余气系数的增加而明显降低。     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机(PDE),在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明:喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3.5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0.9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

气动阀门结构煤油/空气脉冲爆震发动机试验

以煤油为燃料、空气为氧化剂,采用气动阀门结构进气,组合结构障碍物强化燃烧和双半V型障碍物加强激波反射,在内径100 mm,长为1 340 mm的爆震管内进行大量的爆震试验,实现工作频率58.8 Hz协调工作.研究爆震室内主要部件在不同工作阶段的功能,并分析主要部件的工作机理,分析了煤油/空气两相可燃混气形成过程,研究煤油/空气脉冲爆震发动机爆震波特性,获得煤油/空气脉冲爆震发动机协调工作关键技术.研究结果为煤油/空气脉冲爆震发动机原理样机设计提供了理论基础.     

基于热声解耦方法的燃烧不稳定性预测

大型空气加热器易发生燃烧不稳定现象,造成加热器不能按预想状态工作,甚至失效.由于难以通过试验获得加热器燃烧室内部的精确参数,因此数值仿真是预测燃烧不稳定性的重要手段.通过对燃烧室内部燃烧-声学解耦的方式,分别计算火焰对声学扰动的响应和声学系统在热源扰动下的响应,将声学扰动下的燃烧响应表征为火焰传递函数,最终可获得燃烧室...     

两相脉冲爆震火箭发动机性能实验

为了获得脉冲爆震火箭发动机(PDRE)的性能参数,采用液态煤油为燃料、氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,进行了一系列多循环爆震实验.使用孔板流量计测量煤油流量,使用集气法测量氧气流量,使用动态压电式压力传感器测量r爆震室轴向的沿程压力,使用火焰温度及水蒸气浓度红外光谱测量仪测量爆震管出口平面的尾焰温度,使用动态压电式推力传感器测量PDRE所产生的瞬时推力.实验获得PDRE不同频率下的平均推力和比冲.实验结果表明:爆震压力和温度随着工作频率的变化而有所变化,填充系数对于PDRE比冲大小有着显著影响.采用爆震室部分填充的策略,可以显著地提高发动机比冲.     

某型发动机进口压力畸变实验研究与分析

发动机进口流场畸变是影响发动机稳定性的一个很关键的降稳因子,而进口压力场周向分布不均匀对燃气涡轮发动机的稳定工作范围有很大影响.通过对某型涡喷发动机进行进口压力畸变模拟实验,探讨了发动机进口流场压力畸变的实验程序和方法,通过对实验数据的分析和处理,确定了该型发动机的稳定性对进气压力畸变的敏感程度.     

不同飞行工况下双模态发动机流动及燃烧特性

为研究煤油燃料矩形截面双模态超燃冲压发动机在不同飞行工况下的流动及燃烧特征,在通过直连式试验验证计算方法的准确性后,对6个不同马赫数及当量比工况进行了三维定常数值模拟,得出了发动机壁面压力、一维质量平均马赫数沿流向的分布规律,分析了各工况下流场中波系结构、释热变化率等特征。研究结果表明:不同工况下发动机明显工作于两类不同的燃烧模态。当发动机处于预燃激波串前传至注油位以前的亚燃模态时,凹槽段波系相对较弱;随着激波串的前移,隔离段中形成明显的分离旋涡结构将燃料卷至上游,部分燃烧在注油位之前已完成;在燃烧室内,分离主要发生于凹槽内部,燃烧释热集中于第一凹槽头部。当发动机处于激波串未前传的超燃模态时,凹槽段波系相对更强,流动参数波动更大,燃烧在注油位以后进行,燃烧室内分离旋涡在流向跨度大,形成从第一凹槽前缘至第二凹槽处的连续流动分离;分离旋涡有助于燃烧向下游传播,因此释热沿流向分布更均匀、更分散。在过渡段诱导流动分离,促使燃烧室内形成大流向跨度的分离旋涡可能有助于燃烧向下游传播,实现分布式释热,避免释热过于集中导致激波串前传。     

法国MBDA爆震和连续爆震波发动机的研发(英文)

连续爆震波发动机(CDWE)可以弱化一般爆震发动机(PDE)对环境条件的要求,尤其是初始条件要求弱化简化了发动机结构。为了探讨CDWE用于空间发射器的可行性,MBDA与Lavrentiev学院联合进行了一些试验,研究了其工作模式和一些关键点。结果发现:这种发动机在非常小的装置中可提供可观的推力(275daN,条件:直径50mm,长100mm,航空煤油加氧气)。如果采用扩张型喷管,推力还可能增加。在现有尺寸下,插入式或气动锥喷管似乎是最佳设计,在同一流量下,发动机的矢量能力是解决姿态控制的一个方法。热流量非常大,但主要集中在喷射壁面,这一点将有助于在燃烧室内气化喷入的液体燃料。另外,做了初步试验来评估C/SiC复合材料在转动爆震波非常恶劣的机械环境下的性能。在这些研究以外,MBDA还设计了大尺寸地面实验装置来研究使用LH2/LOx混合物的连续爆震波发动机的所有相关问题。作为大尺寸研发的第一步,小尺寸的演示在2010年春季进行。     

脉冲爆震火箭发动机关键技术和样机研究

通过对脉冲爆震火箭发动机(Pu lse D etonation R ocket Eng ine,PDRE)气动阀,气动阀和雾化喷嘴一体化设计,进行改善燃油蒸发、掺混,改善点火性能,强化燃烧等关键技术的研究,研制一台内径58 mm,长1 300 mm的PDRE原型样机。试验表明,该PDRE样机能产生稳定的间歇爆震波。根据混气充填速度的不同,以汽油/空气为推进剂的PDRE工作频率可以在25~40 H z内变化。试验对汽油/氧气为推进剂的PDRE进行研究,其工作频率可达10 H z。     

基于丙酮/CH2O双组分PLIF技术的横向声波激励预混火焰未燃区/预热区特性研究

热声不稳定问题是航空航天动力装置发展中的难题之一,针对预混燃烧火焰的热声不稳定机理研究是解决实际发动机热声振荡难题的必经之路。采用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量技术对横向声波激励下的预混火焰特性进行了研究,获得了横向声波激励预混燃烧火焰中的未燃区/预热区分布变化情况。实验结果表明:随着激励声波声压级的增大和激励声波频率的减小,未燃区/预热区形貌的变化逐渐增强;同时,随着激励声波相位的变化,未燃区/预热区形貌呈周期性变化。对丙酮PLIF图像进行边界提取,获取了不同声波频率、声压级条件下的未燃区抬举高度、扩散面积。利用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量成功捕捉到典型声波频率、声压级下的火焰形貌演化过程,并分析了该典型工况下的火焰熄灭现象及其机制。     

脉冲爆震涡轮发动机原理性试验研究

为研究脉冲爆震燃烧室与涡轮及压气机三者相互匹配的详细机理,建立了脉冲爆震涡轮发动机原理性试验系统,其主要由脉冲爆震燃烧室、涡轮增压器、润滑系统、发动机测控系统等组成。在该试验系统上开展了脉冲爆震涡轮发动机原理性试验研究。首次实现了由脉冲爆震燃烧室驱动涡轮,涡轮带动压气机,压气机压缩空气供给爆震室的全闭环自吸气工作模式。试验结果表明:脉冲爆震涡轮发动机能在自吸气模式下持久、稳定地工作,爆震室与涡轮及压气机三者匹配良好,验证了用脉冲爆震燃烧室替代传统等压燃烧室的可行性。     

高超声速飞行器的碳氢燃料双模态超燃冲压方案研究

以超燃冲压作动力的高超声速巡航飞行器与火箭动力相比，在M＝6时，比冲增加二倍以上；与亚燃冲压相比，发动机内静温、静压低，从而减轻了结构强度负荷，简化了结构设计。这种巡航飞行器匕行速度快，突防与生存能力强，具有更大的作战能力。根据我国国情，本文提出了一种以碳氢燃料双模态超燃冲压作动力的高超声速巡航飞行器的方案，并针对航程1500km，重1500kg，直径0.6m，长45m的飞行器参数，估算了轨道、飞行时间、燃料消耗,确定了超燃冲压前体进气道及燃烧室的形状、尺寸，并作了超燃冲压性能计算。