电阻加热器在超声速燃烧研究中的应用

建立了采用连续式电阻加热器的超声速燃烧室直连式试验平台,介绍了该试验平台的调试结果,可以满足飞行马赫数约3.0～4.5时进行超声速燃烧的试验要求.自行设计了采用凹槽火焰稳定器的超声速燃烧室试验模型,在超声速燃烧室直连式试验平台上,进行了来流总温约1 000 K,马赫数约2.0条件下氢气燃料的燃烧试验,研究了氢气与来流空气的当量油气比对超声速燃烧室内燃烧情况的影响.并在此基础上开展了氢气引燃煤油的点火试验研究,研究了氢气和煤油的喷射位置、喷孔直径等对煤油点火性能的影响.      

污染空气对超音速燃烧地面试验结果的影响

文中阐述了超燃冲压模型燃烧室地面试验时,进口空气污染的影响。从超燃燃烧室内的自动着火,燃烧过程机理来分析污染物(H_2O)的作用。用电弧加热进口气流及向气流喷水模拟氢加热器加热。结果表明:如果使用氢加热器直接加热空气,进口空气中含有污染物,它对超音速燃烧室地面试验的影响,将取决于进口气流状态,喷射方式、污染物含量和氢当量比等,是模拟试验中必须予以考虑的问题。     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H2/O2七组分八方程模型,湍流模型为标准的k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。     

一种固冲发动机纯净来流气源系统设计

为了模拟固冲发动机飞行状态下来流总压、总温,在地面试验中需要高压气源,同时要利用特制加热器对空气进行加热。来流品质对固冲发动机性能影响的研究有重要意义,一些部件考核试验也需要洁净空气。为满足纯净来流的试验需求,分析了常用加热方法的特点,提出了气罐内部封闭电加热的方法,实现了空气无污染加热。对系统组成及工作原理、解决的技术问题、温度仿真计算、试验应用等方面进行了详细介绍,表明气罐内部封闭电加热方式是一种可行的纯净空气加热方案。     

H_2O组分对氢燃料超音速燃烧室性能的影响

燃烧加热设备广泛应用于超燃冲压发动机地面试验,在试验工质中伴随产生相当数量的燃烧产物污染组分,对超燃冲压发动机地面试验性能产生显著影响,这已经成为国内外研究热点。本文针对燃烧加热器主要产生的H2O污染组分,采用纯净空气来流与H2O污染空气来流的对比试验方法,研究了H2O组分对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响,获得了一些初步的试验结果和研究结论。     

后台阶喷氢加喷空气超音速燃烧数值模拟

为了提高带有后向台阶的超音速燃烧室的燃烧效率,提出了一种在氢气喷嘴后加一个空气喷嘴的方法,并且采用雷诺应力湍流模型和有限速率化学动力学模型对这种方法进行了数值模拟研究。计算结果表明:这种方法可以有效地改善氢气与空气的掺混效率,在计算的工况下使燃烧效率从60%提高到了64%;然而随着横喷空气的静压和马赫数的提高,会使燃烧室的总压恢复系数降低,并会使来流空气在台阶尖角处发生分离,接着会在台阶前的横截面产生激波,激波的位置也随着横喷空气的静压和马赫数的增加而前移。     

污染空气对乙烯燃料超声速燃烧影响的试验

为了评估污染组分对乙烯燃料超声速燃烧性能的影响,利用西北工业大学电阻加热直连式超声速燃烧室试验平台,模拟飞行Ma=4条件下的燃烧室进口条件(总压pt=760kPa,总温Tt=800K,Ma=2),开展了来流分别为纯净空气和污染空气的乙烯燃料超声速燃烧对比试验。完成了当量油气比ER=0.57,来流分别为纯净空气和污染空气(CO2摩尔浓度分别为3%,7.5%,H2O摩尔浓度为7.5%)条件下的对比试验。试验匹配了纯净空气来流与污染空气来流燃烧室进口总压、总温、氧气摩尔浓度(21%)、Ma数与当量油气比。给出了燃烧室壁面压力分布对比试验结果与分析。     

吸气式连续旋转爆震与来流相互作用

以加热空气为氧化剂,氢气为燃料,开展了吸气式连续旋转爆震试验,研究了连续旋转爆震与来流的相互作用。通过测量隔离段和爆震燃烧室压力,发现了3种相互作用类型:类型1:连续旋转爆震对空气来流不产生影响;类型2:空气来流中存在高频压力振荡,且主频与连续旋转爆震波的传播频率相同,但来流总压不变;类型3:空气来流中存在与连续旋转爆震波传播频率相同的高频压力振荡,且来流总压升高。初步对比了爆震燃烧室尺寸的影响,结果表明随着爆震燃烧室面积的减小,连续旋转爆震对来流的影响增强,影响区域也向上游扩展。     

超音速燃烧室燃烧效率数学模型及气流状态参数的计算

本文分析及提出了超音速燃烧冲压发动机燃烧室燃烧效率的数学模型.该模型综合了氢气喷射方式、燃烧室进口气流参数以及燃烧室结构的影响因素.用这一数学模型求解一组一元流方程.计算出通过燃烧室的气流状态参数,计算结果与试验数据对比,证明这个模型是适用的.     

高焓风洞液氧酒精空气燃烧加热器设计与试验

高焓风洞是进行吸气式发动机地面模拟试验的重要设施,为满足高温、高压来流模拟的需求,研制了一种基于液氧酒精燃烧的空气加热器。该加热器采用液液自击喷注与空气直流分区组织燃烧,并利用等离子体点火器实现中心点火,生成高焓来流。10kg/s量级燃烧加热器点火调试表明：该装置点火启动迅速,建压平稳并在点火器关闭后维持了稳定来流的生成,覆盖范围宽,在地面试验领域具有良好的应用前景。     

超音速燃烧室碳氢燃料点火实验研究

模拟飞行Ma =3 5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件 ,采用氢为先锋火焰 ,在氢氧燃烧加热脉冲风洞上 ,对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究 ,实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布 ,并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明 ,在燃烧室进口温度较低 (小于 90 0K)的条件下 ,在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难 ,采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

超燃冲压发动机燃烧室出口温度场分布CARS测量

针对超燃冲压发动机研究中对燃烧室出口温度场的测量需求以及暂冲式超燃冲压发动机燃烧台架试验中的应用难点,开发了适用于瞬态燃烧场温度测量的单脉冲相干反斯托克斯拉曼反射（CARS）系统及CARS光谱计算和温度反演软件CARSCF。采用USED相位匹配方式来降低湍流影响,结合多尺度小波分析方法来实现CARS光谱降噪处理,提高信噪比。在暂冲式脉冲燃烧风洞上开展了来流马赫数2.6条件下超燃冲压发动机燃烧室出口温度测量试验,获取了超声速来流（冷态）建立、H₂点火加热空气、建立超声速燃烧流场直至试验结束过程中的燃烧室出口温度,以及煤油/空气燃烧时燃烧室出口温度场分布。结果显示,超声速冷流时温度处于低温（约205K）状态,随着H₂点火加热来流空气,来流温度上升至853K;随着煤油/Air点火,温度急剧上升,稳定燃烧状态下燃烧流场温度为1970K±144K。燃烧室出口截面温度场分布测量结果显示,高温区位于燃烧室出口截面上侧区域,而燃烧室出口截面上中间区域的温度低于上下两侧。燃烧室出口温度分布CARS测量结果与火焰自发光成像结果一致,表明单脉冲CARS技术用于瞬态燃烧流场温度测量的可行性。     

H2O污染对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧室性能影响的数值模拟

在超声速燃烧设备上进行了带凹槽的直连式双模态煤油燃料超燃冲压发动机污染与纯空气来流的对比试验.为了研究来流污染对超燃冲压发动机试验性能的影响,在相同的试验气体参数(马赫数为2,总温约为828K和总压约为800kPa)下,对带凹槽煤油燃料燃烧室进行了一系列对比燃烧试验.采用AHL3D软件对3个试验条件的燃烧室反应流场进行了数值模拟.计算和试验得到的压强分布比较接近且趋势一致.通过数值模拟获得反应流场的细节,探究污染影响的机理.      

Experimental and Numerical Studies of Vitiated Air Effects on Hydrogen-fueled Supersonic Combustor Performance

This paper deals with the vitiation effects of test air on the scramjet performance in the ground combustion heated facilities. The primary goal is to evaluate the effects of H2O and CO2, the two major vitiated species generated by combustion heater, on hydrogen-fueled supersonic combustor performance with experimental and numerical approaches. The comparative experiments in the clean air and vitiated air are conducted by using the resistance heated direct-connected facility, with the typical Mach 4 flight conditions simulated. The H2O and CO2 species with accurately controlled contents are added to the high enthalpy clean air from resistance heater, to synthesize the vitiated air of a combustion-type heater. Typically, the contents of H2O species can be varied within the range of 3.5%-30% by mole, and 3.0%-10% for CO2 species. The total temperature, total pressure, Mach number and O2 mole fraction at the combustor entrance are well-matched between the clean air and vitiated air. The combustion experiments are completed at the fuel equivalence ratios of 0.53 and 0.42 respectively. Furthermore, three-dimensional (3D) reacting flow simulations of combustor flowpath are performed to provide insight into flow field structures and combustion chemistry details that cannot resolved by experimental instruments available. Finally, the experimental data, combined with computational results, are employed to analyze the effects of H2O and CO2 vitiated air on supersonic combustion characteristics and performance. It is concluded that H2O and CO2 contaminants can significantly inhibit the combustion induced pressure rise measured from combustor wall, and the pressure profile decreases with the increasing H2O and CO2 contents in nonlinear trend; simulation results agree well with experimental data and the overall vitiation effects are captured; direct extrapolation of the results from vitiated air to predict the performance of actual flight conditions could result in over-fueling the combustor, possible inlet un-start and inappropriate combustion mode transition. The detailed analysis and discussion are presented and the research conclusions are summarized.     

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

文氏管在煤油燃料超燃冲压发动机中的应用

为了提高试验效率，将文氏管流量控制技术应用到液体煤油燃料超燃冲压发动机地面直连式试验中，在一次试车中完成了多个燃料当量比的试验。在模型发动机2．5s工作时间内，利用流量调节系统实现了煤油流量阶梯变化，对应当量比分别为1．01，0．88和0．71，随着燃料流量减小，超燃冲压模型发动机维持稳定燃烧，发动机推力减小，燃烧室压力降低，隔离段内预燃激波串位置后移。试验结果说明文氏管流量控制系统工作稳定，调节过程清晰，达到预定试验目的，并且该技术可作为一个有效的手段应用到变当量比超燃冲压发动机燃烧过程动态特性研究中。     

超燃冲压发动机燃烧室冷态流场研究

利用西北工业大学电阻加热超声速燃烧室直连式实验设备,针对自行设计的超声速燃烧室模型,在燃烧室入口马赫数Ma=2.0、入口流量m=0.73～1.0kg/s、入口总压p_t≈(7～8)×105Pa、入口总温T_t为室温条件下,开展了不同燃烧室进口流量、隔离段长高比以及燃烧室出口堵塞比情况下的燃烧室冷流实验;采用CFD商用软件对燃烧室冷流流场进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了对比和分析.研究结果表明,增加隔离段的长高比,可以提高燃烧室抗反压的能力,燃烧室出口压力场的畸变对燃烧室内部流场有较大的影响,同时通过计算结果与实验数据的对比验证了计算方法的适用性.      

基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

污染效应对超声速燃烧室贫油熄火极限影响实验研究(流场诊断特别专栏)

针对污染效应对超声速燃烧室熄火性能影响问题,采用甲烷燃烧和电阻加热的燃烧室直连式对比实验方法,开展了污染效应对燃烧室贫油熄火极限影响研究。基于超声速燃烧室实验模型,研究了煤油喷嘴结构对贫油熄火极限的影响;采用高速摄像仪和平面激光诱导荧光技术（PLIF）,研究了加热方式对贫油熄火极限的影响,获得了光学测量结果和壁面压力分布,给出了纯净来流和污染来流条件下的燃烧室贫油熄火极限。研究表明：采用甲烷燃烧加热的燃烧室贫油熄火极限对应的当量比高于电阻加热的,分别为0.135和0.105;不同加热方式来流条件下,超声速燃烧室在燃烧不同阶段的稳定模式均为凹槽火焰稳定模式,火焰基底会呈现一定程度的脉动,但稳定在凹槽剪切层内。