吸气式高超声速飞行器机体推进一体化技术研究进展

吸气式高超声速一体化飞行器最显著的特点是子系统之间的耦合较其他类型飞行器更加强烈,这使得其设计具有挑战性。所有的子系统之间部件相互干涉,包括:气动、推进、控制、结构、装载和热防护等,特别是机体与超燃冲压发动机之间的耦合最为突出。飞行器的前体和后体下壁面既是主要的气动型面,又是超燃冲压发动机进气道外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,在产生推力的同时也产生升力和俯仰力矩。机体与发动机的强耦合作用对飞行器的推力、升力、阻力、俯仰力矩、气动加热、机身冷却、稳定性和控制特性有直接的影响。本文介绍了国内外机体推进一体化技术的研究进展,重点介绍了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的相关研究工作,包括:密切曲锥曲面乘波进气道和基于双激波轴对称基准流场内转式进气道设计方法、独创的大尺度脉冲式燃烧加热风洞一体化飞行器带动力试验技术和高超声速内外流耦合数值模拟技术等。对高速飞行中激波边界层相互干扰、流动分离机理、可压缩湍流转捩及其控制、超燃冲压发动机燃烧流动机理等相关基础问题也进行了研究,强调了对高效高精度计算方法的迫切需求。     

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%。     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响，以及拓宽湍流场的强度和尺度范围，发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场，得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围，并能利用不同几何结构产生多种可控流场，实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构，利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术，开展了湍流燃烧实验，结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L，0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区，火焰面破碎程度明显增强，孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下，积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用，可能存在临界宏观雷诺数Re_c，能够表现流体惯性力占主导地位的程度，决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大，扰动能力强，故积分尺度越大，火焰体积越大；但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈，小尺度叠加在大尺度上的程度增强，最终也使火焰体积显著增大，掩盖了积分尺度对火焰体积的影响，说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

硼笼化合物对含铝液固高能燃料点火及燃烧性能的影响

为了探究硼笼化合物对液固凝胶型高能燃料的点火及燃烧性能的影响,采用高密度碳氢燃料MCRI-1、辅助分散剂胶凝剂和纳米铝粉为原料,制备了系列含铝液固凝胶型高能燃料(简称含铝高能燃料),并考察了含铝高能燃料的组成对其分散稳定性(即凝胶成型效果)的影响。在此基础上,考察了三种硼笼化合物对含铝高能燃料的密度、热值、点火及燃烧性能的影响。结果表明,提高胶凝剂含量或固液质量比(Al/MCRI-1)均可提高含铝高能燃料的分散稳定性。含铝高能燃料的密度和体积热值随着硼笼化合物的添加略有降低,但其质量热值在添加硼笼T和硼笼A后分别增加了11.6%和12.4%。硼笼化合物可将含铝高能燃料的燃温峰值提高21.1%～52.9%,点火延迟缩短44.5%～65.2%。硼笼化合物明显改善了含铝高能燃料的点火及燃烧性能。整体上,硼笼A添加效果最佳,且热解及燃烧可产生较多的气体,一定程度上增强了含铝高能燃料的膨胀做工能力。     

铝钛异种合金电子束焊接接头组织与界面分析

采用真空电子束技术获得了7075铝合金和TC4钛合金异种接头。分别通过金相显微镜、扫描电镜和能谱分析仪等检测仪器观察了焊接接头的宏观形貌、微观组织特征和元素分布情况,同时分析了过渡层中金属间化合物的形成过程及其影响因素。试验结果表明:熔合区铝合金侧微观组织以柱状晶、等轴晶组织为主,还有少量的细晶组织,钛合金侧会析出呈针状或片层状的α相和α'相。由于Ti Al3的自由能最小,在铝焊缝和钛焊缝的界面生成的金属间化合物主要成分为TiAl3,元素扩散不充分导致少量的Ti Al、TiAl2等中间相生成,且随着热输入量的增加,金属间化合物层逐渐变厚,但化合物种类不变。试验结果为铝钛异种合金焊接界面研究提供了借鉴参考。     

涡脱落撞击潜入式喷管引起低频压力振荡研究

通过不同障碍高和不同加质的冷流数值模拟,着重研究碰撞频率（碰撞处压力振荡频率）与强度(碰撞处p_rms/p_mean)对于SRM内压力振荡幅频特性的作用程度。研究结果表明,SRM内压力振荡幅度与碰撞处的压力振荡大小为相同量级。当碰撞强度较小时,碰撞只起到增强声场的作用;当碰撞强度较大时,碰撞产生的压力振荡随碰撞强度的增加逐渐覆盖淹没声场。SRM内压力振荡的幅频特性主要由涡脱落碰撞强度决定,一般只呈现低频且具有非声非线性特征。     

微尺度爆震燃烧研究进展

微尺度爆震燃烧(Microscale Detonation)是基于微燃烧(Microscale Combustion)和微动力机电系统(Power MEMS)提出来的新研究方向.目的是为了把爆震燃烧这一高效的燃烧方式应用于微动力领域,以解决人们对小型、高性能动力的需求.几十年来,人们虽然在爆震燃烧的研究中涉及了一些与微爆震相关的内容,但是对其机理的了解仍然十分不足.本文从微爆震基本概念出发,对其现象、成因、影响因素及需要解决的问题等方面进行综述,总结了目前国内外重要的研究成果,为今后进一步的探索提供参考.     

平底翼柱型药柱燃烧规律的研究

对平底翼柱型药柱进行了研究,推导了平底翼柱型药柱燃烧面积公式,运用MATLAB编程计算,得到了药柱燃烧面积变化率与设计参数的关系图,分析总结了平底翼柱型药柱的燃烧规律。计算结果表明,翼槽数为8,长径比为1.7时,更接近恒面燃烧;当翼槽倾角α∈(0,5π/48),β∈(0,π/3)时,药柱燃烧过程呈现先增面后减面的特性;以药柱外径为基准,当设计参数翼顶缘相对半径r∈(0.36,0.71),翼槽相对深度H∈(0.17,0.375),开槽相对厚度T∈(0,0.036),药柱呈现先增面后减面燃烧;当设计参数r、H、T在给定范围外时,药柱燃烧呈单增面性或者单减面性。算例证明,燃烧面积计算公式正确,燃烧规律符合实际。     

基于CH自由基发光的旋流火焰放热率时空特性研究

对不同工况下CH4/air旋流火焰的放热率在时间上的热声振荡现象和空间的三维形态转变两方面进行了研究。在燃烧形态转变方面，由于旋流火焰的复杂流场分布特性，采用基于化学自发光的三维计算层析技术(3D-CTC)，测量了雷诺数从5 000到20 000的三个工况下旋流燃烧的CH*发光三维火焰结构。以此表征放热率的三维分布，实现对旋流火焰放热空间形态的测量。该诊断方法通过对旋流火焰发光在8个视角下的二维成像，结合层析重建算法得到其三维CH*分布信息。为验证重建保真度，将重建后结果二维可视化与高速摄影下的二维时均结果进行对比，结果表明重建误差在5%以内。研究中，分析了不同雷诺数下放热率的空间变化规律，结果显示所有实验工况下放热率的垂直于喷嘴方向的变化程度比沿喷嘴轴向的要剧烈；而随着雷诺数增加，最大的放热区表现出了明显的向后推进趋势。在旋流燃烧的热声振荡方面，利用CH*的二维高速摄影，对旋流燃烧的放热率不稳定性进行研究，发现放热率的振荡频率随着雷诺数的增大逐渐增加。