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。     

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。     

煤油燃料超燃发动机燃烧室温度测量与计算分析

为获得超燃冲压发动机燃烧室流场温度分布特性，深入分析发动机工作特性，对马赫数为2.0，总温为1100K，总压为1.0MPa的来流，利用可调谐的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术完成了直连式燃烧室流场温度测量；同时对实验状态进行了三维并行数值模拟，对比分析了计算和实验结果的差异。结果表明，隔离段温度的实验测量值与计算结果的最大相对误差约为0.8%；在燃烧室核心流区域，当量比为0.6和0.8两个状态下，实验测量值分别比计算值偏低约40K和150K，相对差异为4.2%和13%；在凹槽回流区内，当量比为0.6和0.8时实验值则分别比计算值偏低约140K和170K，相对差异为11.7%和7.5%。主喷油位置喷入当量比为0.2的燃料对燃烧室区域的温度和压力分布会产生较大影响，但对扩张段及后部区域的推力性能不会产生显著的改变。      

注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响

基于脉冲燃烧风洞直连式试验平台,利用壁面压力测量和高速摄影等手段,研究了注油方式对超燃冲压发动机燃烧性能的影响.考察了不同油位单点注油时的注油特性,利用高速摄影揭示了各个油位的火焰发展历程.在产生有效推力及防止进气道不起动的限制下,确定了各个油位的贫油最低当量比、富油最高当量比.研究了第1油位、第2油位和其他油位组合注油时的耦合作用.以隔离段未扰动区域长度、燃烧室内推力、燃料比冲为指标,探寻了燃烧性能最佳的注油方式.试验获得的隔离段未扰动区域长度最大为149.6mm,燃烧室内推力最大为1622.3N,燃料比冲最大为1354.0s.      

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。     

采用脉冲爆震外涵加力燃烧室的涡扇发动机性能研究

为了研究带外涵加力脉冲爆震燃烧室(Pulse detonation combustor,PDC)的分开排气涡扇发动机性能,建立了其性能模型。利用该模型对带PDC外涵加力原理性试验模型的性能进行了评估,同时选取涡扇发动机对该发动机采用PDC外涵加力后的部件特性及整机性能进行研究,并比较了等燃油流量下外涵道装有PDC和传统等压燃烧室的发动机性能。理论计算结果和实验值对比表明,加装合适的喷管结构能够大大提高该原理性试验模型的推力性能。算例的计算结果显示:随着PDC工作频率的提高,发动机总推力增加,耗油率增大;在同一工作频率下,PDC平均增压比、平均出口温度和发动机总推力在当量比1.1左右达到最大值,发动机总耗油率随着当量比的增大而增加;当PDC工作频率超过50Hz时,外涵道装有PDC的发动机总推力大于外涵道装有传统等压燃烧室的发动机推力,且耗油率要小。     

燃烧室轴向长度对旋转爆震发动机性能的影响

采用氢氧单步化学反应模型,对以当量比为1.0的氢气空气预混气为反应物的旋转爆震发动机（RDE）进行了数值模拟,系统研究了燃烧室轴向长度对RDE性能的影响.通过详细分析燃烧室进出口气体状态参数,揭示了燃烧室轴向长度对发动机影响的内在机理.研究结果表明:燃烧室轴向长度过短时,爆震波的形成不够充分;在发动机推力中,动量推力占主要部分;在计算的燃烧室轴向长度范围内,发动机的比冲为5410~5566s,燃烧室轴向长度对发动机比冲的影响较小.      

燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能的影响,在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,详细分析了不同燃烧室长度下爆轰波传播模态、平均压力峰值和传播速度的变化特征。测量了发动机模型在不同燃烧室长度下的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明:出口背压为大气压时,空气流量为762.9g/s,氧气流量为182.4g/s,汽油流量为84.3g/s,当量比为0.82,燃烧室长度L=235mm工况下爆轰波为稳态双波对撞模态,平均压力峰值和传播速度分别为0.9MPa和1068m/s,爆轰波传播频率为2.223kHz。当L235mm时爆轰波为非稳态双波对撞模态,平均压力峰值变化较小,传播速度随着燃烧室长度变短而降低。仅在L=135mm工况下,爆轰波传播速度略高于L=155mm工况点,推力和燃料比冲分别为579.5N和701.5s。当155mm≤L235mm时推力和燃料比冲随燃烧室长度增加而缓慢增大,L=235mm时推力和燃料比冲分别为607.3N和735.1s,L235mm时推力和燃料比冲变化趋于平缓。     

冲压发动机燃烧室性能参数探讨

针对亚燃冲压发动机直连式试验中燃烧室性能评价的问题,对原有的燃烧效率及总压损失等评价指标进行了介绍,同时对自由射流试验与直连式试验之间的联系与区别进行了分析,并阐述了现有评价指标的局限性。为了综合衡量总温及总压对直连式试验中发动机整体性能的影响,从而为自由射流试验中燃烧室结构的设计提供参考,依据直连式试验的特点,建立了基于推力性能的新型评价指标———修正动量比。针对一组亚燃冲压发动机直连式试验数据,计算了其燃烧效率、总压损失及修正动量比。结果显示,三种方法计算出的修正动量比具有相同的变化趋势,修正动量比与燃烧效率及总压损失所反映的燃烧室性能比较吻合。     

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。     

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

入口非均匀流对亚燃燃烧室性能影响数值研究

为研究人口非均匀流对亚燃燃烧室性能的影响,基于进气道出口试验测量数据,构造三种典型非均匀流型,对燃烧室进行三维数值计算,研究非均匀流对马赫数分布、温度场、燃油分布及燃烧效率的影响。结果表明：基于均匀流供油律,非均匀流影响燃烧室性能的机理是受流速主导作用,低速区域当量比偏高,高速区域当量比偏低。导致扩压段边区燃烧,烧蚀外环阻塞结构,而内圈高速区域燃烧组织效果欠佳。匹配供油律后,非均匀流燃烧性能有所改善,但难以达到均匀流水平。所以,提出了改进入口流均匀性及减弱非均匀流对燃烧不良影响的措施。     

双模态冲压发动机燃烧性能初步研究

通过数值模拟和地面试验研究了当量比和注油分布对双模态冲压发动机燃烧性能的影响,结果表明：在隔离段入口马赫数为2.0,总温为1100K,总压为1MPa的来流条件下,总当量比为0.6时,燃烧模态为双模态亚燃,热力喉道位置位于凹槽出口处;总当量比大于0.6时,发动机燃烧模态为亚燃,热力喉道位置相同,流场结构稳定.通过选取压力参考点的方法,发展了发动机推力快速分析方法,误差较小.     

当量比对连续旋转爆轰燃烧室特性的影响

为了探究当量比对甲烷-空气连续旋转爆轰燃烧室（CRDC）特性的影响,利用二维可压缩欧拉方程对CRDC进行了数值研究,分析了爆轰波的发展过程和贫燃熄火过程,对比了不同工况下CRDC特性参数的变化情况。结果表明:CRDC起爆后燃烧场在由不稳定状态到相对稳定状态的过程中发生了2次碰撞,当进气当量比较低时,CRDC未能完全发生2次碰撞过程就已经熄爆。随着进气当量比的降低,爆轰波传播速度、轴向平均速度、出口平均温度、出口平均总压均呈下降趋势;增压比随当量比降低而减小的根本原因在于旋转爆轰燃烧过程和等压燃烧过程的熵增差减小,使吉布斯自由能增量差减小。CRDC的燃料驻留时间处于亚毫秒量级,燃烧热效率保持在99%以上。      

固体火箭发动机流体喉部推力矢量特性

针对采用水作为二次流工质的流体喉部进行了冷流实验及数值模拟研究.研究了该种固体火箭发动机流体喉部的一般规律,包括不同二次流射流方式,不同二次流流量下流体喉部的扼流性能,推力偏角及推力效率,数值模拟及实验结果吻合较好.结果表明:扼流性能与二次流的注射位置、注射角度及流量比有关,且随二次流/主流流量比的增大而增大.喉部二次流喷射能有效的调节有效喉部面积进而调节推力大小,当流量比为0.4时,最大有效喉部面积比为0.8;扩张段二次流喷射能有效调节推力方向,当流量比为0.4时,最大推力偏角为20°;喉部二次流与扩张段二次流入射位置存在相位差可有效降低喉部与扩张段二次流干扰.      

中心分级燃烧室预燃级贫油熄火性能试验

对一种单环腔的中心分级LESS（low emissions stirred swirl）燃烧室进行了常压状态下的贫油熄火性能试验研究.采用单头部试验件,研究了预燃级离心喷嘴流量数、进口温度及燃料类型对贫油熄火性能的影响.结果表明:预燃级采用小流量数的离心喷嘴能够降低贫油熄火当量比.进口温度低于150℃的范围内,随着进口温度的增加,贫油熄火当量比迅速降低;进口温度高于150℃时,温度对贫油熄火当量比的影响作用不明显.气态燃料与液态燃料的贫油熄火当量比随火焰筒压降的变化趋势是不同的,但都趋于相同的值,且在5%的火焰筒压降范围内,气态燃料的贫油熄火当量比低于液态燃料.      

氢燃料双模态燃烧室模态转换

为研究双模态燃烧室的模态转换规律,采用计算流体动力学(CFD)方法,对氢燃料模型燃烧室在不同当量油气比、飞行马赫数、燃料喷射方式下的流场进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,两者相互吻合.研究结果表明:当量油气比提高、飞行马赫数降低及双面喷射燃料均使燃烧室更趋于亚燃工作模态.     

涡轮基组合循环发动机超级燃烧室燃烧性能试验

对涡轮基组合循环(turbine based combined cycle,TBCC)发动机超级燃烧室进行了试验研究.首先设计了超级燃烧室模型及相关的试验系统,并在此基础上开展了不同进口速度系数、温度和油气比下点火特性、贫油熄火特性和燃烧效率等燃烧室性能的试验研究.研究结果表明:随着内涵进口速度系数(0.10~0.25)的增加,点火当量比先减小后增加,熄火当量比逐渐增加,燃烧效率提高;随着内涵进口温度(573~873K)的增加,点火当量比和熄火当量比减小,燃烧效率提高;随外涵进口速度系数、温度的增加,燃烧效率提高.试验中获得最小点火当量比为0.984,最小熄火当量比为0.6.      

单通道内燃波转子燃烧性能实验

建立简化单通道内燃波转子系统,以连续热射流的点火方式,采用实验方法研究了点火位置,射流作用时间,初始预混气当量油气比对波转子通道内点火及燃烧性能的影响.结果表明:随着射流逐渐推近,喷管出口距波转子通道38mm附近时,对点火不利,但点火位置对火焰锋面发展影响不大;在不同当量油气比下,射流作用时间对波转子通道内燃烧过程压力增益具有不同的影响规律,同时火焰锋面倾斜角随着射流作用时间增加而有所减小;当量油气比为2.0时不利于波转子内组织燃烧,且此时火焰锋面出现反向倾斜,倾斜角高达58°.