氢燃料双模态冲压发动机火焰结构及其稳定机制的LES研究

为深入理解双模态冲压发动机内流场结构和燃烧特性，本文采用精细的有限速率化学反应模型，对凹腔内氢气直喷式超声速燃烧室火焰进行了大涡模拟研究。发动机隔离段入口马赫数为2.0，滞止温度和压力分别为950 K和0.82 MPa。定性和定量的验证分析表明，计算结果良好符合试验所反映的物理规律，再现了两种典型的工作模态及其稳焰模式。当量比为0.1时，发动机处于超燃模态，为凹腔剪切层稳焰模式；当量比为0.3时，发动机处于亚燃模态，为凹腔辅助射流尾迹稳焰模式，分离涡的大尺度脉动及凹腔回流区的缺失致使火焰剧烈振荡。同时采用改进的火焰因子和过滤函数详细分析了局部火焰特征和流动模式，观察到了不同规律的局部熄火现象，并且剧烈的流动振荡对于局部火焰结构的稳定性有着不利影响。     

煤油—氢双燃料超声速燃烧点火特性研究

煤油－氢双燃料的超声速燃烧室中的自点火和燃烧稳定特性在直联式验装置上进行了实验研究。实验空气总温1650－1980K,总压基本保持在1.8MPa左右,燃烧室进口M数为2．5。用激光粒度仪测量了加压下煤油的雾化程度,为了寻找能点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比,设计加工了四种不同构型引导火焰与凹稳焰一体腔结构,利用氢引导火焰局部地加速煤油的化学反应和凹腔的联合促进作用与优化结合,发现在没有强迫点火能源条件下点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比较降低至0．03。燃烧室的性能用简化的一维计算机程序SSC－3作了初步估算。在长度425mm的燃烧室中获得了煤油的燃烧放率50％,引导火焰凹腔一体化结构对点火特性和性能的影响作了讨论。     

超燃燃烧室中燃烧反应区域变化情况试验

运用试验的方式在来流马赫数为2.5的条件下研究了气态燃料在直连式凹腔燃烧室内的燃烧过程，结合壁面压力测量以及OH-PLIF(OH-平面激光诱导荧光系统)方法分析了乙烯燃料在点火后1 ms内的燃烧反应区域发展过程和氢气燃料在稳焰时1 ms内的燃烧反应区域变化过程。结果表明凹腔后缘斜坡对于气态燃料的火焰传播起重要作用，初始燃烧区域在随来流到达后斜坡后会减速滞留，为附近的燃料提供适宜的点火环境。凹腔剪切层对气态燃料的稳焰燃烧起重要作用，剪切层内始终部分存在剧烈燃烧反应区域，这将为凹腔内部源源不断地提供点火能量，为维持凹腔内部燃料持续点火燃烧提供能源支撑。试验测得乙烯初始燃烧反应区域向凹腔上游的发展速度约为170 m/s。     

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。     

超燃冲压发动机双凹腔燃烧室氢气燃烧流场分析

为了比较超燃冲压发动机中双凹腔燃烧室相对于单凹腔燃烧室在促进燃烧方面的优势,运用高速摄影仪拍摄了氢气当量比为0.07时燃烧室中的火焰情况,结合数值仿真结果,得出如下结论:小当量比情况下氢气燃烧很稳定,燃烧区域主要集中于前凹腔的剪切层和该凹腔所围成的三角区以及该凹腔下游壁面位置,燃料喷口周围没有火焰;无论是串联凹腔燃烧室还是并联凹腔燃烧室,相同条件下燃烧时壁面压力均比单凹腔燃烧室高,串联凹腔之间的回流区为燃烧提供了有利的条件;在一定范围内,串联凹腔之间的距离越近,燃烧放热越集中,壁面压力越高.      

喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究

为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50～400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。     

基于高速摄影图像处理统计分析的点火过程试验

针对空气来流马赫数为2.1、总温为846K,总压为0.7MPa的条件下凹腔内的强迫点火过程,利用高速摄影观测了凹腔主动喷注方式的乙烯强迫点火试验.基于高速摄影图像的合成分析和概率统计,提出了能够定量分析出点火过程凹腔火焰稳定和燃烧室火焰分布的试验研究方法;利用该研究方法,采用主动喷注方式在全局当量比为0.15和0.17(相应的主动喷注当量比分别为0.04和0.06)的条件下,对比研究了采用凹腔后壁面喷注的喷注方案和采用凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方案的点火试验过程;定量分析了这两种喷注方案点火后的凹腔火焰稳定和燃烧室内的火焰分布.当凹腔主动喷注当量比为0.04时,点火凹腔内并没有形成良好的局部压力反馈,火焰在点火凹腔内常以不连续形式稳定存在.当主动喷注当量比达到0.06时,整个燃烧室的火焰分布要更加均匀.针对超声速来流条件下的点火过程瞬态图像,该方法能够有效地开展定性分析和定量研究.      

基于Driscoll凹腔稳焰模型的超声速燃烧火焰稳定尺度效应研究

为了研究超声速燃烧室尺度放大后,保持火焰稳定边界相对于基准燃烧室不变,凹腔火焰稳定器几何参数应遵循何种放大准则的问题,基于已有的Driscoll凹腔稳焰数学模型,采用典型的单凹腔矩形截面燃烧室作为基准燃烧室,分别计算基准燃烧室在贫燃和富燃状态时的火焰稳定准则数DaNP,再按照燃烧室尺度放大定义写出尺度放大燃烧室的稳焰准则数表达式Da''NP,将稳焰边界不变作为约束条件,构建尺度放大准则方程式DaNP= Da''NP,求解准则方程式获得凹腔几何参数放大准则表达式,绘制准则特性曲线,分析归纳近似准则,并通过数值计算方法初步验证准则的有效性。采用Driscoll凹腔稳焰模型的尺度效应分析结果表明,燃烧室放大一定倍数n后,无法通过调整凹腔长度和深度放大倍数k1和k2使得贫燃熄火边界保持不变;但是,可以通过调整参数k1和k2使得富燃熄火边界保持不变,此时凹腔几何参数遵循的放大准则近似为 k1≈k2≈n1/4。     

超声速气流中电火花塞直接点燃煤油过程试验研究

在来流总温1486K,总压1.6MPa,马赫数2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了电火花塞直接点燃航空煤油的试验研究。利用高速摄影相机进行观测,对比了不同煤油喷注方案和点火位置对火核生成和火焰传播的影响。通过上游凹腔前壁面水平喷注煤油、下游凹腔点火的方案可靠性高,在煤油与空气混合气的当量比为0.04~0.063均可实现煤油成功点火和稳定燃烧;串联凹腔构型可以提高点火性能的主要原因有两方面:一是下游凹腔有稳定火焰作用,火焰在边界层内逆流传播实现对上游凹腔的能量反馈;二是煤油蒸发、混合距离长,通过近壁区进入下游凹腔,形成了更为适宜的点火环境。     

并联凹腔火焰稳定器超声速燃烧特性实验研究

为研究并联凹腔火焰稳定器的超声速燃烧特性,通过在凹腔上游喷注乙烯,采用单边扩张型燃烧室在当量比φ=0.43~1.07内进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=3.46,总温Tt=1430K。基于燃烧室壁面静压分布、推力增益、燃料比冲和燃烧流场的可见光与纹影图像分析了并联凹腔在不同当量比下的火焰结构、流场特征和燃烧性能。结果表明,上、下壁面凹腔附近的流动条件差异显著,燃烧过程与当地流动条件之间的强烈耦合作用使得燃烧室内火焰分布显著不对称。发动机燃烧性能对当量比十分敏感,壁面静压水平和推力增益随当量比增加持续升高,但φ=0.43~0.62时的增加速率远大于φ=0.76~1.07时的。φ=0.43~0.62时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而升高;而φ=0.76~1.07时,燃料比冲和燃烧效率随当量比增加而降低。     

基于先锋氢点火和双凹腔火焰稳定的煤油超声速燃烧特性

采用先锋氢火焰点火方式和串联双凹腔火焰稳定机制,开展了模拟飞行马赫数4.0纯净空气条件下液态煤油燃料超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的试验研究。典型的燃烧室进口来流状态为马赫数2.0,总温约815K,总压700～800kPa。试验中上游凹腔采用喷油/点火一体化设计并几何结构保持恒定,分别研究了下游凹腔深度10mm,12.5mm和15mm时对煤油超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的影响;此外,通过串联双凹腔沿轴向后移及间距拉大,研究了其对煤油超声速燃烧特性的影响。试验结果表明:(1)采用先锋氢辅以火花塞点火方式可以可靠实现煤油燃料超声速点火,并最终实现自持稳定燃烧。(2)下游凹腔起到了很好的火焰稳定器作用,增大凹腔深度可以有效地增强火焰稳定性能,同时扩展火焰稳定的油气比范围。(3)双凹腔后移使得主燃烧区向下游移动,在相同油气比条件下有效缓解燃烧诱导压升对上游隔离段的扰动。     

凹腔底壁喷射位置的数值模拟与试验

为探究凹腔底壁不同喷射位置对碳氢燃料的燃烧性能的影响,在直联式超燃试验台上进行了凹腔底壁不同喷射位置的气态燃料(乙烯)、液态燃料(煤油)以及气泡雾化煤油(起泡气体为氢气、空气、氮气)的超声速燃烧试验。并针对凹腔底壁不同位置喷乙烯进行了数值仿真。通过分析燃烧室壁面压力与数值模拟结果得到:凹腔底壁不同喷射位置对气态燃料的点火性能影响不大,燃烧性能随喷点位置的后移下降。煤油通过靠近凹腔前缘的喷孔喷入可顺利点火,而通过靠近后缘的喷孔无法实现点火。应用氢气作为起泡气体的气泡雾化喷嘴后,实现了所有喷点的点火,但随着喷点位置的后移,煤油的燃烧性能下降。     

Peculiarities of Mixture Formation and Ignition of the Fuel Mixture in the Metal Sprayer Chamber

The paper presents a device for spraying the low-melting metal coating, based on the rocket chamber operation principle. The design of the fuel nozzle, pre-mixing chamber, and radial combustion chamber is considered. The processes of electro-spark ignition of the fuel mixture and the flame front stabilization are described. The choice of the critical section area as a place of the coating material feeding in the high-temperature combustion products flow is substantiated.     

超燃冲压发动机燃烧室流场数值模拟

对台阶和凹腔组合的超燃冲压发动机燃烧室结构进行了数值模拟分析。在冷态流场中,分析了组合结构流场特性和激波特点,同时对以氢气为燃料的燃烧室流场进行了数值模拟。模拟结果表明：台阶下游和凹腔处存在有利于燃烧和火焰稳定的回流区,能够增强凹腔卷吸的效果,从而可以增强燃料的混合;在燃烧流场中,凹腔是火焰稳定的主要区域,燃烧效率较高,此结构能够很好地起到增强燃烧的作用。     

氢气添加对RP-3航空煤油燃烧特性的影响

为了阐明氢气添加对国产RP-3航空煤油燃烧特性的影响,在定容燃烧反应器中实验测量了初始压力为0.1MPa、初始温度分别为390,420K、当量比范围为0.8～1.5时RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度与马克斯坦长度,分析了掺氢比对火焰发展结构、层流燃烧速度及马克斯坦长度的影响.结果表明:随着掺氢比的提高,在火焰发展过程中,火焰前锋面逐渐出现裂纹或褶皱,火焰的不稳定性逐渐增强;随着混合气当量比或掺氢比的升高,RP-3航空煤油/氢气混合气的马克斯坦长度逐渐减小;当混合气当量比从0.8升高至1.5时,RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度呈现先增加后降低的趋势,当量比为1.2时混合气的层流燃烧速度达到最大;同时,随着初始温度或掺氢比的升高,RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度逐渐升高。      

氢气引导乙烯火焰非定常燃烧过程

基于脉冲燃烧直连式试验台，开展了超燃冲压发动机氢气引导乙烯火焰的非定常燃烧过程研究。燃烧室入口条件为马赫数2、总温950 K和总压1.0 MPa。试验过程分为4个阶段：冷流、引导氢气单独燃烧、引导氢气点燃乙烯、乙烯单独燃烧。基于高频壁面压力测量和火焰荧光高速摄影，获得了代表性测点的压力时间曲线及燃烧室内火焰发展历程，提取了压力平均值、振荡幅度和频率、着火时间及反应位置等重要信息，分析了不同燃烧阶段的非定常特性。试验结果表明：在氢气单独燃烧阶段，非定常特性源于凹槽后斜坡区域氢气反应强度的变化。在氢气点燃乙烯阶段，非定常特性由氢气和乙烯火焰的“交接”引起。在乙烯单独燃烧阶段，非定常特性由燃烧和超声速流动之间的耦合引起。     

平面激光诱导荧光技术在超声速燃烧中的应用

使用283.553nm的紫外激光激发对温度不敏感的氢氧基Q1(8)线,拍摄代表氢氧基浓度分布的受激荧光发射图像,以此来分析超声速燃烧火焰的结构。用这种方法研究了不同凹腔长深比、凹腔后缘倾角和不同燃料喷注方案对超声速燃烧火焰结构的影响。观察到了凹腔与激波对点火和火焰稳定的作用,凹腔长深比和后缘倾角对燃料穿透、混合和燃烧的不同扰动作用,以及火焰中存在明显的湍流结构和分区燃烧现象,并进行了简要分析。结果显示PLIF是超声速燃烧研究的有力工具。     

Ma10条件超燃冲压发动机自由射流试验过程

基于中国空气动力研究与发展中心的高焓激波风洞（FD-14A）在毫秒量级试验时间内,开展了模拟飞行马赫数为10,动压为30 kPa条件下的超燃冲压发动机自由射流试验研究。采用高速纹影和高速摄影捕捉了进气道唇口波系和燃烧室火焰的时间发展历程,结合发动机壁面压力和热流密度数据,分析了该工况下发动机的工作过程。测量了多种燃料当量比下的发动机壁面压力和热流密度,试验结果表明：在当量比0.50～1.37的宽范围下均实现了可靠点火和稳定燃烧。     

煤油燃料超燃冲压发动机燃烧特性实验研究

为研究空气节流时序对超燃冲压发动机点火和火焰稳定的影响,本文通过实验方法研究了13个状态的煤油燃料超燃冲压发动机的燃烧特性,煤油燃烧通过先锋氢气和节流空气增强稳定性。通过两个固定位置的压力传感器来监测火焰稳定状态,采用纹影和OH-PLIF相结合的测量手段,获得了流场结构和火焰发展信息。发动机入口来流条件为Ma = 2.0,总温950 K,总压0.82 MPa。在空气节流的作用下,煤油被先锋火焰引燃;在先锋氢撤除后,煤油仍然可以稳定燃烧。在扩张段中,空气节流和燃烧共同作用产生的激波串移动速度约为52 m/s,但在凹槽内其速度仅为3.7 m/s。通过监测点压力变化情况可以区分所研究状态的火焰稳定与否,通过对13个研究状态的考察,获得了火焰稳定临界曲线。当所研究状态点在临界曲线右上方区域时,火焰状态稳定;当所研究状态点在临界曲线左下方区域时,火焰将被吹熄;当所研究状态点在临界曲线上时,火焰不稳定,在空气节流撤除之前将被吹熄。