基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型

针对目前常用的基于微分方程的超燃冲压发动机性能计算模型的不足,提出了基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型。将基于控制体法的0D积分形式的守恒方程(流量连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程)和化学动力学模型相结合,辅以临界流量法,应用于隔离段和燃烧室的1D流场计算,实现了双模态超燃冲压发动机各种模态的隔离段和燃烧室的流量平衡计算,可以捕捉到热力学喉道,确定了隔离段流动状态和燃烧室的工作模态,进而实现超燃冲压发动机全飞行包线内和全工况下的特性计算。计算结果表明,基于集总参数方程的计算模型不但能够克服基于微分方程的计算模型的缺点,而且还具有计算精度高、计算速度快、收敛性好等优点,为超燃冲压发动机总体性能计算和方案设计提供了一种很好的参考。     

超燃冲压发动机流量匹配机理

采用基于集总参数方程的燃烧室性能计算模型,辅以临界面积法,应用于隔离段和燃烧室的一维流场计算,实现了双模态超燃冲压发动机各种模态下的隔离段和燃烧室的流量匹配计算,并分析了流量匹配工作机理.结果表明:在未分离超燃模态与分离超燃模态下,增加燃烧室供油流量,隔离段和燃烧室流量匹配是通过流道中的喉道处马赫数降低来实现的;在跨燃模态与亚燃模态下,增加燃烧室供油流量,流量匹配主要是通过提高燃烧室流道中热力喉道处的总压来实现的.      

双模态超燃冲压发动机流量匹配的临界面积法

建立基于控制体法的0-D守恒方程(流量连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程)的热力喉道(Ma=1.0)求解集总参数模型,该模型包括了壁面摩擦模型、燃油喷射模型、燃油雾化掺混模型和化学动力学模型.并针对集总参数模型求解热力喉道的特殊性,提出了基于流量平衡的临界面积法,应用于隔离段和燃烧室的1-D流场计算,实现了双模态超燃冲压发动机具有热力喉道时的各种模态的隔离段和燃烧室的流量平衡计算,精确捕捉到热力学喉道,确定了隔离段流动状态和燃烧室的工作模态及相关的流路沿程参数.计算结果表明:采用了临界面积法的集总参数计算模型能解决热力学喉道求解问题,其计算精度达10-4,单点工况计算时间小于0.1s.      

双模态超燃冲压发动机准一维流耦合方法与验证

为改善双模态超燃冲压发动机的耦合分析精度和计算周期过长问题,提出了一种基于准一维流的内流耦合分析方法,该方法适用于隔离段和双模态燃烧室的耦合求解,解决了亚燃模态下由于热壅塞而产生的背压问题,完成隔离段和燃烧室的流场匹配分析,得到双模态流场和火箭基组合循环发动机在亚燃和超燃模态下的沿程流动特性。研究结果表明:(1)相对于双模态超燃冲压发动机直连试验结果,亚燃模态下隔离段的分离点预测误差在1.4%~11.2%,流道峰值压强预测误差在15.6%~21.6%,流道沿程压强预测的平均误差在9.6%以内,在超燃模态下,峰值压强预测误差小于3.75%,峰值压强的位置预测误差小于2%。(2)相对于RBCC发动机一体化自由射流试验结果,分离点预测误差小于2.1%,流道沿程压强平均误差小于10.5%。对于双模态超燃冲压发动机,本文方法具有一定的可信度。     

双模态超燃冲压发动机对隔离段性能的需求分析

为研究双模态超燃冲压发动机的燃烧室一隔离段共同工作过程,分析不同模态下燃烧室对隔离段的性能需求,在基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型的基础上,提出计算燃烧室一隔离段流量平衡的临界能量法,并编制相应的计算程序,实现双模态超燃冲压发动机各种模态的隔离段和燃烧室的流量平衡计算,计算在不同的模态下隔离段和燃烧室的一维流动参数,进而获得隔离段的性能需求,计算飞行马赫数4．0到7．0时的临近堵塞边界的最大供油量与隔离段最大激波链长度。结果表明：临界能量法正确有效,能完成燃烧室一隔离段流量匹配计算;高飞行马赫数下的堵塞模态的隔离段激波链长度较长,应作为隔离段的工程设计中所参考的重要因素。     

超燃冲压发动机性能初步研究

介绍了北京动力机械研究所进行的超燃冲压发动机初步研究。该方面研究包括超声速燃烧初步试验研究、双模态超燃冲压发动机燃烧室计算模拟和试验研究、高超声速进气道研究、超燃冲压发动机模型自由射流试验研究,获得了良好的高超声速进气道和超燃冲压发动机的工作性能。     

超燃冲压发动机燃烧室新型热结构的优化设计

为了探寻超燃冲压发动机工程设计的方法,解决超燃冲压发动机燃烧室严峻的热防护问题,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的复合结构形式的主动冷却结构方案;建立了超燃冲压发动机燃烧室热结构设计模型和燃烧室惰性质量估算模型;基于遗传算法,以热结构各层厚度、槽宽、肋宽和肋高为待优化参数,进行了单目标和多目标优化设计。以燃烧室惰性质量最小为目标进行优化设计后,惰性质量减少了21.7%,得到最小惰性质量下的热结构尺寸;以惰性质量最小、冷却液流量系数最低为目标进行优化设计后,得到了Pareto最优前沿及对应的热结构尺寸。     

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。     

超燃冲压发动机一维稳态跨声速流动奇异初值问题的一个解法

超燃冲压发动机燃烧室一维稳态跨声速流动方程在临界声速点存在奇异初值问题，现有的基于L’Hospital法则的求解方法在原理上存在较大的初值误差，影响一维稳态跨声速计算的精度。为此，本文提出了一种基于变量代换的改进算法，通过定义新的流动变量W=-Ma^2＋2Ma，构造出了非奇异的一维稳态跨声速流动方程。消除了微分方程的奇异性，有效的解决了一维稳态跨声速流动计算过程中存在的奇异初值问题。     

DCR进气分流与掺混流场的数值模拟

采用矢通量分裂法求解2D-Euler方程组, 对亚燃/超燃双重燃烧冲压发动机(DCR)进气分流流场及其双重燃烧的冷态掺混流场进行了数值模拟。计算结果给出了全流场清晰的激波结构, 并提供了超燃室中两股高速气流掺混的物理图像。本文的数值结果对于亚燃/超燃双重燃烧室的点火燃烧研究提供了一些有用的信息。      

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.     

考虑进口非均匀的喷管设计及冷流条件下的性能研究

超燃冲压发动机尾喷管与燃烧室直接相连,由于没有几何喉道和收缩段的整流作用,实际工作过程中尾喷管的进口气流是非均匀的,因而有必要研究非均匀进口条件下的尾喷管设计方法。以超燃冲压发动机尾喷管非均匀进口马赫数分布为条件,采用有旋特征线设计了超燃冲压发动机非对称尾喷管的等熵膨胀型线。利用数值模拟和试验相结合的方法研究了冷流条件下喷管的气动性能。结果表明,在相同的进口条件下,相对于假定进口马赫数均匀分布设计得到的喷管,考虑进口马赫数非均匀分布设计的喷管推力增加0.6%~2.0%,负升力降低可达82.0%,俯仰力矩增加8.6%~13.0%,这说明在喷管的设计过程中考虑进口参数分布的非均匀性是有必要的。     

释热分布对超燃冲压发动机性能的影响及优化

为了改进燃烧室、尾喷管的设计和优化燃料在燃烧室内的释热方案,建立了广义一维流动/释热分析方法,对超燃冲压模型发动机的主要性能参数进行了研究。通过与单凹腔模型发动机实验结果的对比,着重分析了燃料在燃烧室内不同的释热分布对模型发动机推力性能的影响,同时采用模拟退火优化算法对发动机燃烧室内释热分布和内流道作了优化,结果表明,在燃烧室内采用多阶段分散释热方案对模型发动机推力性能有较大的提高。     

凹槽非定常超音速流动的研究

用SST的两方程紊流模型,采用时间和空间上二阶的方法,求解雷诺平均N-S方程,得到开放型凹槽的流动特性的变化。数值模拟了飞行马赫数为5时的测试结果,得到不同时刻流场参数的变化。凹槽内流体质量的增加和减少,有助于油气的混合和燃烧,对于维持燃料的超音速燃烧是非常关键的,对超燃冲压发动机燃烧室的设计具有重要的价值。     

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.