超燃冲压发动机研究回顾与展望

自20世纪50年代以来,航空航天领域把超燃冲压发动机作为高超声速推进系统的一种追求目标,在理论和技术方面矢志不渝地开展了大量研究工作。21世纪初,美国取得了一系列接近实际应用的技术突破,将超燃冲压发动机技术的研究和应用推动至新阶段。简述了超燃冲压发动机工作原理,论述了双模态工作过程、高超声速压缩流动、超声速燃烧、超高温结构与热防护、地面试验与数值模拟等关键技术的难点和新进展,并针对超燃冲压发动机宽速域、可重复和更高马赫数等当前重点技术发展方向,阐述了认识和建议。     

正十四烷低温点火及燃烧机理的构建和简化

为了开展燃烧流场数值模拟,构建了包含71个组分391个反应方程的正十四烷低温点火及燃烧骨架反应动力学机理(C14_SK71);采用计算奇异摄动法(CSP)和准稳态假设法(QSSA)对骨架机理进行简化,得到包含44个组分40个反应方程的总包简化机理(C14_Red44);通过实验测得的点火延迟时间、火焰传播速度以及射流搅拌反应器(JSR)组分浓度数据对机理进行了计算和验证。结果表明:该十四烷燃烧机理能够比较准确地预测温度700K~1350K内点火延迟数据,再现中低温条件下的负温度效应(NTC);较好地模拟了当量比0.7~1.4内的正十四烷/空气预混气的层流火焰传播速度,以及温度650K~1050K内正十四烷氧化过程中的组分分布。与现有的正十四烷氧化反应机理相比,该骨架机理和总包简化机理规模较小,为进一步开展燃烧流场数值模拟提供了可用的反应机理模型。     

基于总温测量的超燃冲压发动机燃烧效率研究

燃烧效率能够部分反映出燃烧室性能的优劣,是超燃冲压发动机性能评价的重要指标之一。基于总温测量的超燃冲压发动机燃烧效率获取方法不需要测量或计算燃气组分、摩擦力、支板阻力等,避免了上述过程带来的误差,可有效提高测量精度。利用新型半屏式总温传感器,成功测量了M6、当量比1状态下超燃冲压发动机燃烧室的出口总温,获得了基于温升比定义的发动机燃烧效率。     

基于总温测量的超燃冲压发动机燃烧效率研究

燃烧效率能够部分反映出燃烧室性能的优劣,是超燃冲压发动机性能评价的重要指标之一.基于总温测量的超燃冲压发动机燃烧效率获取方法不需要测量或计算燃气组分、摩擦力、支板阻力等,避免了上述过程带来的误差,可有效提高测量精度.利用新型半屏式总温传感器,成功测量了M6、当量比1状态下超燃冲压发动机燃烧室的出口总温,获得了基于温升比定义的发动机燃烧效率.     

正癸烷燃烧详细反应机理的构建及简化

利用燃烧详细反应机理自动生成程序ReaxGen得到了正癸烷的388组分2226反应方程的详细燃烧机理,对此机理在不同压力和温度下的点火延迟时间进行了动力学分析,并与试验得到的点火延迟数据进行了对比,最后采用直接关系图法DRG得到了不同规模的骨架机理。计算发现:在温度大于1000K的情况下,给出的机理能比较好地模拟正癸烷的点火过程,预测到的点火延迟数据与试验符合较好,证明了反应机理自动生成程序在链烷烃部分是可信的;通过DRG分析得到的包含62组分422方程的骨架机理,其计算结果与详细机理吻合很好,而组分和反应方程分别减少了约84%和81%。此机理的计算时间有大幅的缩短,可用于进一步的CFD应用和机理简化。     

基于DRG和QSSA方法的煤油详细燃烧机理简化

利用直接关系图DRG和准稳态假设法QSSA发展了一套详细燃烧机理的简化程序。采用DRG对209组分1 673个反应的煤油详细燃烧动力学机理进行简化,取阈值0.6得到了包含84组分的骨架机理,并对骨架机理和详细机理的结果进行了对比和分析;在骨架机理的基础上采用QSSA方法,进一步得到了包含24组分20方程的简化反应模型。计算表明：84组分的骨架机理在较宽的参数范围内得到的良搅拌反应器（PSR）结果和点火延迟数据都与详细机理一致;采用24组分20方程的总包反应模型得到的点火延迟、组分等数据都与详细机理结果非常接近。总包反应的组分数量满足CFD计算的要求,具有较好的工程应用前景。     

多管脉冲爆震发动机流场数值研究

针对二维带有收敛扩张喷管的双管脉冲爆震发动机(PDE),采用并行的时空守恒元和解元(CE/SE)方法对单管点火、双管同时点火和不同喉道面积情况下的爆震流场进行了数值模拟。化学反应模型采用H2和O2的8组分34基元反应。计算发现,单管点火情况下传入旁通爆震管的流场可以引爆其中的可燃气体;多管PDE内流场之间的相互作用使管内的压强处于比较高的状态;增大喉道面积削弱了多管PDE流场之间的相互影响,同时减小了封闭端面的压力,从而导致发动机性能下降。     

CE／SE并行计算研究及在Euler方程中的应用

时空守恒元和解元方法(CE/SE)是一种高精度的数值求解方法.采用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对非结构网格,发展了一套求解二维Euler方程的并行程序.对NACA0012翼型的亚跨声速流动和多段翼型复杂绕流进行了分区并行求解,多区并行计算的结果与实验的结果吻合较好,表明了本文研究方法的正确性和有效性.同时文中的分区方法能实现各处理器之间的负载均衡,有效地节省计算时间.     

乙烯超燃燃烧室支板/凹腔结构组合的数值研究

以超音速燃烧冲压发动机设计为背景,采用有限体积法,以乙烯为燃料对交错尾部支板和开式凹腔的组合方式及位置进行数值研究。通过组合方式的研究发现,横向组合的凹腔内回流区卷吸作用强于纵向组合;凹腔远离交错尾部支板能促进燃烧火焰扩散,燃烧效率更高,总压损失更小。通过对组合位置的研究,总结出组合位置对燃烧室性能的影响规律,发现凹腔与支板横向组合,凹腔距支板尾缘距离为0.15 m时,总压恢复系数达到最大,燃烧效率也较高。该项研究可为超燃燃烧室设计提供参考。     

时空守恒CE/SE数值方法在凹槽燃烧流动中的应用研究

应用时空守恒元和解元CE/SE方法,发展了求解化学反应流场的三维并行计算程序。为验证程序,对超声速冲压喷射燃烧室模型进行了计算,计算结果与实测数据以及相关文献的计算结果吻合较好,验证了本文的处理方法和程序的正确性。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对不同长深比的凹槽燃烧流动进行了数值模拟,分析了凹槽增强混合对稳定火焰的作用。计算结果表明,CE/SE方法具有模拟凹槽超声速燃烧流动的能力,数值模拟的结果有助于认识凹槽的火焰稳定机理。