性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响,对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供,总温为1231K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室,全局当量比恒定为0.8,采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ω SST模型来模拟湍流;离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程;部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用;煤油采用正癸烷(C10H22)作为替代燃料,其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好,表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析,可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区,上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘,下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3,上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构,下游反应区则逐渐缩小;预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动,进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流,而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流;燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%,燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N;然而,燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

煤油燃料超声速燃烧室火焰面模型应用探究

为了探究煤油燃料超燃流场是否满足火焰面特性,基于双支板超燃燃烧室开展试验与数值模拟研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K,燃料由支板分级喷注。根据燃烧室计算结果与火焰面模型判据可知:在微观上,绝大部分燃烧区的Karlovitz数不超过100,耗散涡不会对火焰结构产生显著影响,可近似满足火焰面要求;在宏观上,燃烧区的Damkohler数远高于局部熄火临界值,湍流强脉动导致的破碎火焰时均化具有层流火焰特性,雷诺时均N-S(RANS)方程结合层流火焰面计算与该特性是相符合的。试验中,不同上游当量比导致燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态,火焰面模型结合煤油23步反应机理可以准确描述两种燃烧状态的湍流燃烧特性,因此RANS结合火焰面模型在煤油燃料超声速燃烧室数值模拟方面具有一定的适用性和准确性。     

超声速燃烧室中支杆位置对煤油燃烧的影响

使用支杆喷注煤油,可以通过喷孔使煤油获得初步的雾化而有利于煤油与气流的混合,从而更快地达到点火条件。为研究支杆在燃烧室中的位置对煤油掺混及燃烧性能的影响,在燃烧室入口马赫数2和3条件下,开展了支杆位于第一位置(燃烧室前部)和第二位置(燃烧室中部)时对煤油燃烧影响的数值模拟及试验。根据试验获得的壁面压力及数值模拟结果,得到以下结论:(1)支杆位置越接近氢气燃烧区,喷出的煤油可以更多、更快地进入该区域进行能量交换,减少煤油点火延迟时间。(2)支杆位于第二位置,支杆前后的近壁面低速区与氢气燃烧区前的回流区连成一片,增加燃料驻留时间,增强混合,有利于火焰向上游传播。(3)在煤油能够点火燃烧的前提下,支杆位于第二位置,煤油与氢气燃烧区域的高度超过燃烧室高度的一半,导致该区域流通面积减小,超声速气流减速,升温,促使煤油燃烧强度更高。     

双支板超燃燃烧室燃烧状态的试验研究

通过直连试验,对双支板超燃燃烧室进行了煤油分级喷注研究。在试验中发现,这种燃烧室在来流及供油条件完全相同的条件下,出现了两种稳定的燃烧状态:如果上游支板喷注的燃料在当地燃烧,那么称之为上游燃烧状态;如果上游支板喷注的燃料没有在当地燃烧而是与下游喷注的燃料一起在下游燃烧,那么称之为下游燃烧状态。针对这一现象,本文从当量比分配的角度,对这一现象进行了试验研究。在总当量比为1.0时,经过对试验结果的分析,选取了一个特定位置,称为特征点。通过动态试验获得了特征点的压力,建立了它和上游支板喷注的当量比之间的关系,并利用这一关系描述了两种燃烧状态出现的当量比条件。一维冲量分析法的结果表明,上游燃烧状态的燃烧室内推力比下游燃烧状态高73N。     

基于支板凹腔结构的超燃燃烧室数值研究

为探究基于支板凹腔结构的超燃燃烧室性能,在超声速来流条件下,采用带中心支板且凹腔长高比为7.5的三维超燃燃烧室模型,针对支板阻塞比、扩张段扩张角、不同燃料喷射方式以及不同燃料当量比对燃烧室相关性能的影响进行了数值研究。研究发现:支板阻塞比会对隔离段内的激波分布以及支板后缘速度分布产生明显影响,而扩张段扩张角会影响超声气流在燃烧室出口的膨胀状态;采用壁面以及中心喷注支板同时喷油方式在保持高燃烧效率的同时会扩大整个燃烧室的燃烧区域;当采用单独壁面喷油方式时,凹腔内静温分布会随着当量比的变化发生相应的改变,同时会在当量比为0.51~0.74时达到相对较高的燃烧效率。     

双支板超燃燃烧室变当量比喷注试验研究

为研究超燃冲压发动机分级喷注的性能特点,基于双支板燃烧室开展变当量比喷注下的燃烧现象、释热规律以及发动机内推力性能试验研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K。煤油流量的调节速率分别为11.97g/s~2和35.90g/s~2。不同当量比调节速率的试验表明,当量比调节速率不影响试验结果。随着上游当量比的减小,上游火焰由充满支板尾部逐渐转变为在剪切层附近分叉。试验中发现,燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态。上游燃烧状态下,上游当量比相同而下游当量比不同时,燃烧室内推力差别不显著;下游燃烧状态下,增加上游喷注会提高燃烧室性能。上游燃烧状态变化到下游燃烧状态的上游当量比为0.19。在相同总当量比下,上游多分配当量比获得的上游燃烧状态可使内推力增加。     

当量比对燃烧模态的影响机理分析

为了深入分析当量比对燃烧模态的影响机理,通过试验和计算研究了不同当量比条件下超燃冲压发动机燃烧室流场,给出了释热速率的计算方法。结果表明,数值模拟结果具有一定的可靠性,并基于数值模拟结果,提出了模态形成过程中释热和流动速度的反馈平衡机理。给出了三种燃烧模态及其特征,超燃模态,燃烧释热为分布式,燃烧室流动速度为超声速,隔离段无分离;亚燃模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动为亚声速,隔离段存在大分离以及强激波串;混合模态,燃烧释热为集中式,燃烧室流动同时存在亚声速和超声速,隔离段存在大分离以及强激波串。提出了高当量比条件下实现超声速燃烧的方法,即在扩张段注油,避免集中式释热。     

双燃烧室中煤油超燃试验研究

对双燃烧室中煤油超燃进行了试验研究。试验采用亚燃烧室产生的高温富油燃气在超燃烧室的超声速主气流中补燃的方案实现了煤油超燃过程,研究了在不同超声速主气流总温状态下高温室油燃气的当量比对超声速燃烧效率的影响,分析了超燃燃烧室中的总压恢复特性。     

高温富油燃气超燃试验研究

在空气流量１．２ ｋｇ／ｓ 左右的地面连管试验台上, 进行了模拟飞行Ｍａ＝ ４, ５, ６的三个气流总温状态的碳氢燃料（煤油） 超燃试验。试验用双燃烧室方案, 由突扩型亚燃燃烧室燃烧产生的高温可燃气以马赫数１．２５喷入超燃室, 超燃室空气流马赫数为２．１５ （或２．１３）。不同空气流总温状态下燃料当量比对亚燃燃烧室和超燃燃烧室的试验结果表明, 双燃烧室方案实施煤油的超声速燃烧是可行的。若进一步采取混合增强和合理控制油量分配等措施, 则可提高双燃燃烧室超燃效率。     

基于支板稳燃的超声速火焰特性研究进展

以超燃冲压发动机燃烧室为主要研究对象,对超声速气流中的火焰稳定机理及火焰传播特性的研究进展进行了综述,涵盖了不同稳燃器的超声速燃烧室中的火焰特性及火焰稳燃机理分析、火焰传播及振荡特性等研究内容,旨在揭示超声速气流中的火焰特征并进一步实现燃烧室的性能优化,以期对超声速燃烧室的火焰特性相关研究提供一定的参考。首先,从燃烧室流动及燃料驻留时间的角度分析了超声速火焰稳定的难点,进一步分析了超声速燃烧室中火焰稳定的基本判据,总结了当前两种主流的火焰稳燃模式,分析了支板稳燃器在增强燃料掺混方面的优势,并以支板稳燃为主要侧重点进行了后续火焰特性的研究;其次,从增加燃料驻留时间和减小燃料化学反应时间两个角度总结了当前实现超声速火焰稳定的基本方法及稳燃原理。最后,讨论了火焰稳定之后的燃烧室火焰动态特性,包括火焰传播特性和火焰振荡特性,为后续的燃烧优化提供参考。     

煤油总包反应机理对超声速燃烧的影响

为考察不同总包反应机理对超声速燃烧数值模拟的影响,以煤油燃料超燃冲压发动机支板加凹腔燃烧室为研究对象,分别采用单步和两步总包反应机理对其燃烧过程进行了三维数值模拟研究.对比分析表明,采用的单步反应机理计算结果与实验值呈现明显差异;而两步反应机理的壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,验证了计算过程的有效性.该单步反应机理在前支板处局部反应释热量过大过快,致使超燃室内出现热壅塞现象;而两步反应机理的反应和释热规律更为合理,更逼近真实燃烧过程.     

双支板超燃燃烧室上游支板喷注位置的影响

在双支板超燃燃烧室的直连试验中,以液体煤油为燃料,针对上游支板上的3个喷注位置对燃烧的影响进行了研究.在试验过程中获得了壁面压力数据,并通过一维冲量分析法处理.试验结果表明:煤油在两支板同时喷注时,热力喉道的位置受上游支板喷注位置显著影响.在上游支板的3个喷注位置中,第1,2位置分别喷注时超燃燃烧室压力分布基本相同,与第3位置喷注相比燃烧效率高6.3%~7.5%,内推力高16.7%~17.4%.试验的结果表明,在第1位置喷注时燃料能够在上游维持燃烧,但第3位置喷注时燃料无法在上游维持燃烧.结合数值仿真的结果分析,上游支板上的喷注位置到支板尾缘的距离L≥80mm时,燃料在支板尾缘处有较高的混合效率并形成稳定的燃烧.      

支板喷射超声速燃烧火焰结构实验

为明晰支板喷射超声速燃烧火焰精细结构,并探索其影响因素,利用自发辐射成像技术和平面激光诱导荧光技术(PLIF)对支板喷射超声速燃烧流场进行研究。结果表明,燃烧室内形成了典型的扩散火焰,且火焰稳定在支板尾部的回流区,宽度与支板厚度处于同等量级;支板厚度和燃料喷注当量比对火焰结构有显著影响,增加支板厚度会使火焰基底变宽,火焰长度变短,有利于燃烧室内部的快速放热和缩短燃烧室长度,增加燃料喷注当量比会使火焰长度增加,燃烧强度增大。     

自点火氢燃料超燃火焰形成与传播过程数值模拟及分析

针对氢燃料超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧细节,采用数值方法研究了喷注初期不同喷注位置及当量比下超燃燃烧室氢燃料自点火火焰形成与传播过程,结合OH、HO2自由基与温度分布分析了点火燃烧过程的火焰精细流场结构。结果表明：凹腔下游喷孔距凹腔后缘较近时,若喷注压力超过2 MPa,会发生下游火焰通过回流区卷入凹腔的现象;凹腔内喷注会在凹腔剪切层前沿形成稳定反应面,造成反应区分离;喷注压力相同时,上游布置喷孔燃烧室出口氧耗率更高,总压恢复系数降低,而在喷注位置相同时,随喷注压力的升高,燃烧室出口氧耗率提高,总压恢复系数降低;喷注当量比不同会影响火焰的稳定位置与结构,在当量比较低时氢气燃烧主要发生在凹腔、剪切层及燃烧室下游,在当量比较高时则发生在燃烧室下游。     

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.      

气化煤油与乙烯超声速燃烧特性对比

为了研究燃料成分变化对超燃冲压发动机燃烧特性的影响,以气化RP-3(中国3#航空煤油)和乙烯为燃料进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=2.92,3.46,总温Tt=1430K。基于点火延迟时间、燃烧室壁面静压分布、推力增益和比冲,对比分析了两种燃料的超声速燃烧特性。结果表明,化学活性更高的乙烯比气化煤油具有更高的燃烧性能和燃料利用效率;Ma=2.92,当量比φ≈0.60和1.06时,乙烯的比冲比气化煤油分别约高15%和7.2%;当Ma增加到3.46时,相当的当量比下乙烯和气化煤油之间的比冲差距稍有扩大,约为18%和9.6%。燃烧室入口马赫数和当量比等工况参数对发动机燃烧特性有显著影响。燃料成分对发动机燃烧特性的影响随当量比的提高而弱化,但对燃烧室入口马赫数不敏感。     

支板凹腔耦合超燃燃烧室燃油动态调节研究

在纯净空气来流下,对以液态航空煤油为燃料,以支板凹腔耦合方式稳焰的超燃燃烧室的燃油动态调节进行了研究,采用两台柱塞泵供油,结果表明:总燃油当量比为0.83的条件下,动态切换支板喷射位置从上游到下游的过程中,燃烧室上游的壁面压力先下降后上升,而靠近出口的壁面压力则先上升后下降,并最终稳定;动态调节支板喷射的当量比,壁面压力峰值随当量比升高而升高,但壁面压力提升的起始位置随当量比升高向上游移动;通过试验验证动态调节后的稳定时间足够,试验数据可靠。     

纯净空气来流下支板凹腔耦合超燃燃烧室性能研究

在纯净空气来流下,通过试验对以支板凹腔耦合方式来稳焰的超燃燃烧室进行了研究,以液态航空煤油为燃料,喷射分为支板单独喷射和支板壁面组合喷射。结果表明:支板单独喷射,轴向位置靠前或者燃油当量比增加0.1,壁面压力分布总体越高,壁面压力峰值也更高;燃油当量比相同的情况下,支板单独喷射的壁面压力分布要比支板和壁面组合喷射的总体偏高,但壁面压力提升的起始位置更靠前;通过一维冲量法分析得到,燃烧室最低马赫数低于0.5,沿轴向中间大部分区域为亚声速;支板单独喷射轴向位置靠前,燃烧效率更高;当量比相同的情况下,支板单独喷射的燃烧效率要比支板和壁面组合喷射的燃烧效率更高。     

基于气化煤油喷注的RBCC燃烧室亚燃模态燃烧组织研究

针对RBCC发动机亚燃模态进行主动冷却的情况下,煤油发生气化后喷入燃烧室的燃烧组织开展研究。在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭高温射流作为引导火焰可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和稳定燃烧,当煤油喷注前加热到气化/超临界态时,燃烧室最高压力相比于室温液态煤油提高约10%左右。当关闭一次火箭后,利用凹腔成功实现火焰稳定,而使用室温液态煤油喷注时,凹腔内无法实现火焰稳定。通过数值模拟获得了不同喷注方案的燃烧室燃烧流场特征和燃烧组织过程,为进一步优化燃烧室的性能提供依据。结果分析表明通过合理布置燃料支板喷注位置,由燃料支板下游集中的燃料热释放使得气流在扩张燃烧室构型中实现"热力壅塞",通过燃料分配实现燃烧室内合理的燃烧释热分布,使RBCC发动机亚燃模态完成高效燃烧组织。     

凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验

在来流总温为1486K、总压为1.6MPa、马赫数为2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验,研究了喷嘴孔径、喷注位置对点火性能的影响.结果表明:上游凹腔底壁大孔径喷嘴喷注燃料,下游凹腔点火的方案点火性能高,在煤油总体当量比为0.102~0.206范围内均可实现成功点火与稳定燃烧;燃烧反压向上游的传播过程具有明显的滞后性且与分离区的形成过程紧密耦合;燃料喷注方案决定了煤油雾化燃料场的分布,燃料的分布特征又决定了点火特征.