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.     

一种缩短隔离段简易措施的实验研究

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短隔离段长度,设计了一种带等宽度平直斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口下壁面厚附面层一侧,在M1.98非对称的隔离段进口来流条件下完成吹风实验。实验结果表明,隔离段加等宽度平直斜楔后可在同样的反压下使激波串相对长度从13.87缩短至11.12,缩短了2.75。同样的隔离段加斜楔后能够承受的最大反压从来流静压的3.55倍上升到3.85倍,提高了8.45%左右。     

中国超燃冲压发动机研究回顾

回顾了中国近年来在超燃冲压发动机领域的研究进展。首先是高超声速进气道的研究进展,包括高超声速进气道中激波与附面层干扰、起动和再起动、隔离段、进气道附面层抽吸、进气道通道内外压缩比、侧压式进气道、Busemann进气道等。其次是超声速燃烧方面的研究及模型超燃冲压发动机研究。最后对研究工作进行了评述。     

非对称来流下带斜楔的短隔离段数值研究

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短其长度,设计了一种带斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口下壁面,对其进行了三维数值模拟,获得了带斜楔的隔离段耐反压能力特征以及缩短程度。通过数值模拟发现,隔离段加斜楔后能够承受的最大反压从来流静压的3.46倍上升到3.73倍,提高了7.8%左右。斜楔放置在厚附面层一侧更能改善隔离段耐反压性能。还发现加斜楔后可在进出口压比相同的情况下,将长度减小35%左右。     

离解组分复合对超燃尾喷管性能的影响

采用13组分33步反应的H2/Air化学动力学模型,对超燃冲压发动机尾喷管化学非平衡流动和冻结流动进行数值模拟.计算表明,离解组分的复合现象存在于超燃冲压发动机尾喷管内流动中,并对尾喷管性能产生影响.随飞行马赫数的增加,离解组分复合现象更显著,对尾喷管性能产生的影响也越大.在飞行马赫数为8.0的计算工况下,化学非平衡流动模型计算所得尾喷管性能与冻结流动模型相比高出约2％,该条件下忽略NO2,H202等组分以简化化学反应机理,对尾喷管性能计算结果的影响甚微.     

超燃冲压发动机凹腔内补氧的强化点火试验

在超燃冲压发动机扩张型燃烧室中,对凹腔内局部补氧的点火强化方法进行了试验研究。采用高速摄影手段研究了不同的补氧方式对凹腔内火焰分布特征和燃烧强度的影响,并针对并联双凹腔燃烧室构型,研究了在单侧凹腔补氧条件下向异侧凹腔的火焰传播过程。试验结果表明,采用凹腔内补氧的方式能调节凹腔内的燃料浓度分布、改善凹腔内的燃烧过程,控制燃烧放热强度;稳态燃烧情况下,观察到凹腔驻留火焰的两种存在特征,分别表现为:由回流区热量反馈机制作用下的凹腔局部驻留火焰和燃烧室全局压力反馈影响下的凹腔剪切层火焰。只有在单侧凹腔燃烧建立了全局压力反馈的条件下才能实现凹腔火焰的异侧传播。     

等离子体对超燃燃烧室凹腔性能影响的数值研究

在超燃燃烧室凹腔上游及其底部近前壁面处布置电极产生丝状等离子体,基于准直流电弧放电热阻塞原理,采用数值模拟方法研究了等离子体对燃烧室均温、凹腔均温、剪切层、凹腔阻力以及质量交换率的影响.结果显示:等离子体对燃烧室整体的温升效应可以忽略,但能够明显提高凹腔内平均温度;受丝状等离子体对凹腔的预热及对剪切层的“切割”作用,剪切层中沿流动方向的涡强度降低,从而降低了凹腔前缘及后缘撞击激波强度,使其附近压力分布更平滑;丝状等离子体存在时,凹腔阻力系数明显下降,质量交换率也大幅提高,但增大等离子体输入功率对改善控制效果的影响不明显.     

超燃冲压发动机燃烧流场纹影图像无监督分割方法

超燃冲压发动机燃烧室流场纹影图像常存在大量噪声信号,如何高效、准确提取燃烧流场图像的主要波系结构成为当前亟需探索的问题。以超燃冲压发动机燃烧室内冷流到氢燃料点火阶段流场为研究对象,基于深度神经网络方法,发展一种燃烧室内流场的关键波系结构快速识别方法。首先,采用基于图论的超像素分割方法对纹影图像进行聚类分割,为语义信息明显相同区域分配伪标签;其次,设计了一种全卷积特征提取神经网络,并使用残差结构对各个通道进行加权,提取纹影图像高级语义特征;最后,使用交叉熵目标函数优化网络模型,并通过阈值滤波操作去除噪声像素点,提升语义分割效果。结果表明：与K-means及自适应高斯阈值方法相比,本文提出方法在准确率、召回率、F1分数和交并比指标性能明显是最优的,能够准确完成燃烧流场纹影图像语义分割任务,可以更加清晰地反应流场内的主要波系和剪切层结构     

单模块超燃冲压发动机一体化流场数值计算

采用数值计算方法求解了单模块超燃冲压发动机内外流一体化流场，得到了流场详细结构和单模块发动机的性能参数，并对不同工况下的发动机性能进行了对比研究，探讨了发动机在有、无进气道侧压情况下的性能差异，分析了其中的原因。计算结果表明，研究工作中所发展的数值计算软件可以用于超燃冲压发动机的一体化流场计算，正确给出发动机的各项性能。计算结果还显示了发动机设计模型中存在的不足。     

基于并联协作混合遗传算法的高超声速巡航飞行器一体化优化设计研究

遗传算法能以很高的概率找到全局最优解，不需要目标函数和约束条件的梯度信息。适合于工程优化设计。为增强遗传算法的局部搜索能力，提出了一种新的融合模式搜索方法和Powell方法的并联协作混合遗传算法。研究超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航飞行器的一体化优化设计。系统分析了机身和超燃冲压发动机设计参数对飞行器总体性能的影响。通过建立高超声速巡航飞行器质量模型、气动力估算模型、气动热估算模型、超燃冲压发动机性能分析模型、控制模型和弹道分析模型，在满足参考任务要求的前题下，以飞行器起飞质量为目标函数，将并联协作混合遗传算法应用于最优总体方案和超燃冲压发动机方案一体化设计。完成了6设计变量的全局优化计算。算例表明，本文建立的一体化设计模型基本正确，并联协作混合遗传算法是用于高超声速巡航飞行器一体化优化设计的较好的优化算法。