碳氢燃料超声速燃烧研究的新方法

提出了一种采用激波风洞、激波管组合设备开展碳氢燃料超声速燃烧研究的实验方法。初步实验结果证实方法切实可行。利用激波预热燃料并采用高温燃气流作为引导火焰可以将碳氢燃料的点火延迟缩短，火焰传播速度加快，有效解决了碳氢燃料点火延迟过长的问题。     

连续式高焓超声速预混加热器设计与分析

为研究超声速燃烧和爆轰相关的机理问题,提出了一种结合燃烧型加热器和阵列喷管的超声速预混加热器设计思想。通过预热燃烧室来提供总温可变的高焓富氧气流,经过特征线型面喷管膨胀降温后,在喷管扩张段的适当位置以一定角度喷入燃料,经过混合段后形成所需的连续高焓总温和当量比可调的预混气流。通过对混合过程的数值模拟和预混气体的着火延迟时间分析了当前的预混高焓加热器的混合和自燃问题。在超声速气流中加入斜劈采用纹影技术进行激波点火实验,并验证了当前的预混加热器设计是成功。     

超声速气流中乙烯点火试验与影响因素

对超声速气流中的非预混乙烯燃料扩散点火过程进行了试验研究,采用高速摄影、纹影技术获得了点火过程的火焰成功传播与失效图像和激波动态演化过程。基于点火前喷注混合流场的NPLS（纳米粒子散射）、PIV（粒子图像测速）试验数据和大涡模拟结果对影响点火结果的关键因素进行了研究,分析了点火过程的燃料分布、回流区尺寸、激波串作用、气动壅塞效应等关键流动特征对火焰传播过程和点火失效模式之间的影响关系。研究结果表明,点火过程的激波串前移过程会对燃料的分布造成影响,并进而影响凹腔内的燃料质量分数分布;凹腔角回流区是初始火焰形成的关键区域,点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后,分别扩展形成凹腔驻留火焰,并向下游输运、掺混燃烧,建立预燃激波串,形成点火过程的正向压力反馈;凹腔内燃料分布受喷注位置、喷注压力的影响,采用凹腔内主动喷注的方法能够主动调节凹腔内的燃料分布,有助于初始火核的形成,能有效避免点火过程中由于压力反馈对燃料分布影响造成的熄火现象。      

二甲苯点火延迟时间和燃烧发射光谱测量

为了研究二甲苯三种同分异构体的点火特性,获得该燃料燃烧反应重要自由基OH,CH和C2的变化信息,在化学激波管中利用反射激波点火,点火温度1224~1478K,点火压力0.18~0.21MPa,燃料当量比1.0,由单色仪光谱系统测得了二甲苯/空气的点火延迟时间,并用ICCD瞬态光谱探测系统测得了点火温度1440K时对二甲苯/空气燃烧的时间分辨瞬态发射光谱。实验结果表明:对二甲苯点火延时对温度的敏感程度最高,邻二甲苯和间二甲苯的点火延时对温度的敏感程度相近;在相同实验条件下,间二甲苯和对二甲苯的点火延迟时间比较接近,邻二甲苯的点火延迟时间最短。在对二甲苯燃烧反应中,OH,CH和C2自由基一旦出现很快达到其浓度峰值,但各个自由基的消失过程各不相同,CH和C2自由基存在的时间很短,且相对浓度变化趋势几乎完全一致,而OH自由基持续时间最长。     

煤油及其替代燃料点火延迟特性实验研究

为研究煤油的点火特性,在反射型激波管中测量了煤油及替代燃料的点火延迟时间。通过测量激波压力信号和OH自由基光强信号,分析了点火温度、当量比对煤油点火延迟时间的影响。实验温度范围为1100~1800K,压力为0.1MPa,反应当量比为0.5,1.0,1.5。选用正癸烷(80%)和三甲基苯(20%)组成的替代燃料,在相同实验条件下比较了替代燃料对煤油点火模拟的准确性。结果表明随着点火温度升高和当量比的降低,煤油及其替代燃料的点火延迟时间缩短,点火延迟时间的对数与温度倒数成正比。选定的替代燃料可以较好地模拟实际煤油的点火延迟过程。     

脉冲燃烧风洞中空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定影响研究

采用试验与数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响。发动机入口气流总温、总压和马赫数分别为1100K,1.0MPa和2.0。空气节流位置距离发动机入口625mm,空气节流流量为入口发动机空气流量的27.2%。多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机燃烧流场结构和火焰传播规律的诊断,包括纹影、阴影、差分干涉、自发光照相和OH-PLIF。首先考察了有、无空气节流时超燃冲压发动机冷流流场的结构,结果显示:在实施空气节流后,流场内产生了激波串结构。激波串促使流场的静温和静压升高,马赫数降低。同时激波串与边界层相互作用,导致了边界层分离,促进了燃料与空气的高效混合,实现了煤油的可靠点火。其次考察了先锋氢气燃烧流场的火焰传播规律与稳定形态,结果表明:当先锋氢气当量比为0.3时,燃烧流场振荡;当先锋氢气当量比为0.1时,燃烧流场稳定。最后研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响,结果表明:不实施空气节流时,液态室温煤油吹熄了先锋火焰,煤油点火失败;实施空气节流后,煤油成功点火,当先锋氢气和空气节流撤除后,煤油仍然保持稳定的燃烧。     

激波管煤油燃料点火特性研究进展

为了研究煤油的点火特性,国内外采用激波管实验方法,探究了不同因素对煤油的点火延迟时间的影响。本文综述了激波管煤油燃料点火特性研究进展,介绍了激波管的设计与实验要点以及液、气相煤油在激波管中点火特性的研究。结果表明,温度、压力、当量比等因素对煤油的点火特性有着复杂的影响,对目前研究中存在的问题与不足进行了归纳总结,对未来研究的重点进行展望。     

脉冲爆震燃烧室内缓燃向爆震转捩数值模拟

为了研究脉冲爆震发动机燃烧室内火焰加速及缓燃向爆震转捩过程，利用7组分8反应的氢气详细化学反应机理进行 了2维数值模拟。结果表明：在火焰传播的初始阶段，障碍物、旋涡与火焰的相互作用是主导火焰加速的主要因素。在燃烧区域 产生的膨胀波向前传播并诱导未燃混气流动；障碍物后的回流区及障碍物顶端脱落的旋涡使火焰面拉伸、卷曲，增加火焰面面积， 同时提高燃烧放热强度，使火焰传播速度加快。在火焰发展的后期阶段，激波与障碍物的相互作用会使脱落在已燃混气中的未燃 混气微团发生局部爆炸，产生新的激波进一步推动火焰加速，缩短火焰锋面与前导激波的距离。由于交错型障碍物增加了火焰传 播的距离，其缓燃向爆震的转捩时间比采用对称型障碍物时的更长。     

马赫数10超燃冲压发动机激波风洞实验研究

基于室温氢气驱动激波风洞实现总压28MPa、总焓4.7MJ/kg、名义马赫数10超声速空气自由来流模拟,开展二维超燃冲压发动机自由射流点火实验,实现稳定燃烧,燃烧持续时间5ms。通过此次试验,探索尝试了马赫数10超燃冲压发动机地面点火燃烧试验技术,初步获得了高马赫超燃冲压发动机点火/燃烧过程参数和基本现象规律。试验中,采用高速相机完整记录了氢气喷注、着火、燃烧现象和燃烧持续过程,采用高频压力传感器和热电偶进行沿程壁面压力和热流测量。研究结果表明,马赫数10自由来流条件下,气态氢燃料垂直喷入超声速来流能够实现自点火,并发生剧烈燃烧,燃烧区域压力上升幅度40%,壁面热流上升幅度达100%。     

预混超声速气流斜激波诱导脱体爆轰研究

为了研究高静温预混超声速气流中爆轰的机理问题,利用自主设计的连续式加热器来产生马赫数为2.6,静温大于700 K的氢/空气预混超声速气流,并采用高速纹影技术来观测斜激波诱导脱体爆轰的直接起爆和发展的动态过程.研究表明,实验得到的起爆前斜激波和起爆后脱体爆轰波的角度与理论分析结果非常一致.并发现由激波诱导爆燃向激波诱导脱体爆轰的转变过程非常快;而且对于当前初温较高当量比较低的混合物,会出现爆轰波突然熄灭与重新起爆的现象.当前研究为爆轰燃烧在高超声速推进中的应用提供了重要参考.      

等离子体射流作用下光壁面超声速燃烧室点火试验研究

针对光壁面超声速燃烧室的点火需求，利用中心嵌入式等离子体射流在模拟马赫数6，总温1860K的直连式试验台上实现了煤油燃料的可靠点火和稳定燃烧，研究了超声速燃烧室起动过程中等离子体建立与维持特征，获取了不同当量比下火焰传播与燃烧特性。试验表明：在自身工质的高压射流维持下，等离子体点火器可以在点火起动的不同压力变化环境中保持稳定；中心等离子体射流产生一定尺度的高温区域且含有丰富的自由基，但需要在恰当的中心喷油流量形成的混气当量比下产生等离子体诱导火焰；诱导火焰沿燃烧室轴向传播进而发展形成了稳定的超声速燃烧。     

碳氢燃料超声速脉冲燃烧实验研究

主动冷却超燃冲压发动机一般使用碳氢化合物作为燃料,但是碳氢燃料存在点火延迟时间长,稳定燃烧范围窄等问题,这就迫切需要开展碳氢燃料点火和稳燃新方法的研究。脉冲燃烧可能是一种拓展超声速燃烧室工作范围的方式,但在超声速燃烧室内还没有开展相关研究。使用结构简单的脉冲火花塞(5Hz,50J/pulse),在马赫数2.5的直联式超声速燃烧室内,实验研究了乙烯和超临界煤油的超声速脉冲燃烧可能性、燃烧模式及影响因素。乙烯脉冲燃烧实验表明,在稳定燃烧范围以外存在脉冲燃烧,并能够提供有效的脉冲推力。乙烯脉冲燃烧主要存在于来流空气总温较低的条件下;随着总温的提高,脉冲燃烧将进一步引起稳定燃烧;当总温很高时,乙烯直接稳定燃烧,没有观测到脉冲燃烧现象。煤油的实验表明,本文所用的脉冲式能量补充无法实现超临界煤油的脉冲燃烧,煤油的脉冲燃烧可能需要更多的热量和自由基。     

激波聚焦引燃可燃混合气体的实验研究

在94mm×94mm方截面激波管上,入射激波马赫数为1 60～1 95内开展了汽油/空气可燃混合气体在激波聚焦方式下的点火实验。当汽油/空气混合比处于化学恰当比附近,激波马赫数为1 69～1 95的激波聚焦能够成功地引燃汽油/空气的可燃混合气体,而当入射激波马赫数低于1 69时,同样条件下的汽油/空气混合气体不能被点燃。流场的纹影照片显示,与未燃状态相比,汽油/空气可燃混合气体被引燃后的反射激波波面变宽。     

激波作用下粉尘卷扬,点火与燃烧的数值研究

根据本文给出的守恒方程和计算方法，对激波与沉积可燃粉尘的相互作用进行了数值研究，讨论了激波作用下的颗粒的上扬、点火与燃烧的基本特征以及波后燃烧粉尘云的内部结构。     

氢气和过氧化氢对正癸烷燃烧特性影响的对比

氢气(H2)和过氧化氢(H2O2)具有较强的反应活性,能够增强碳氢燃料的燃烧过程。为了探究添加液态氢和液态过氧化氢对航空燃油燃烧特性的影响,以正癸烷为代理燃料,采用数值模拟方法对比研究了H2和H2O2对正癸烷/空气燃烧特性的影响。研究发现,随着H2O2的增加,点火延迟时间显著缩短;而随着H2的增加,初始温度为1100 K时,点火延迟时间基本不变,在初始温度为1600 K时点火延迟时间略有缩短。随着H2O2的增加,层流火焰速度有所提升,而H2添加量对层流火焰速度的提高相对而言较小。富油燃烧时,CO排放指数随H2O2和H2的增加有所降低,NO排放指数有所增长。低压贫油燃烧时,H2O2和H2添加量对CO和NO排放指数基本没有影响;高压贫油燃烧时CO排放指数有所降低,NO排放指数有所提高,H2O2添加量的影响更加显著。      

受限空间内激波与火焰作用的三维计算

激波与火焰的相互作用常发生在超声速燃烧和燃烧转爆轰过程中,为深入了解这一现象,采用带化学反应的三维Navier-Stokes方程,对平面入射激波及其反射激波与火焰的作用进行了计算研究,其中燃烧过程使用单步反应模型描述。研究结果显示:在受限空间内模拟激波与火焰作用,能更好地符合实验结果,从而体现出受限空间的三维效应;火焰在入射激波的作用下主要经Richtmyer-Meshkov不稳定而发生变形,此时火焰变形以物理作用为主,燃烧膨胀效果相对不明显;当反射激波与变形火焰再次作用后,火焰迅速膨胀变形,放热率维持在较高水平,此时化学反应过程起主要作用;在反射激波的作用下,变形火焰复杂三维涡结构的形成能强化热量与质量的输送,提高燃烧速率。     

空气节流对超燃燃烧室火焰稳定影响的数值研究

空气节流通过在流场中产生激波串,有效地辅助燃料实现稳定燃烧。非定常数值模拟研究了空气节流对超燃燃烧室燃料稳定燃烧的影响,分析了节流实现燃料稳定燃烧的机理。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温548.8K、静压0.1MPa,乙烯燃料当量比为0.5,先锋氢辅助点火的条件下,距离发动机入口845mm处,30%入口空气流量的节流流量有效地实现了燃料的稳定燃烧,激波串是实现燃料稳定燃烧的根本原因,节流参数对节流效果有着较大的影响。     

一种新运行方式脉冲燃烧风洞研制及初步应用

介绍了一座喷管口径为600mm、利用氢与富氧空气混合燃烧产生高焓试验气流的脉冲风洞。风洞首次采用了活塞挤压为加热器供应燃料和路德维希管供应富氧空气的工作方式，实现了风洞试验过程中需多少燃料就供多少燃料，消除了采用路德维希管供燃料存在的弊端。自主研制的大通径快速阀取代了膜片，提高了设备运行效率。风洞在吸气式高超声速技术研究中得到了成功应用。     

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。     

碳氢燃料超燃冲压发动机点火技术试验

在超燃冲压发动机直联式试验中,对液体碳氢燃料超声速燃烧的点火技术进行了研究,比较了多种点火方式包括氢气引导火焰点火、火炬点火器、固体装药点火器以及电火花塞的点火效果,并成功实现了氢气引导火焰与火炬点火方式下煤油的可靠着火和持续稳定燃烧,煤油当量比范围约为0 87～1 72。在氢气引导火焰点火方式中,通过增加支板和改变氢气喷注位置,可将最小氢气当量比由0 34降为0 068。通过氢气引导火焰点火和火炬点火对比试验表明在相同的燃料喷注方式和当量比下,发动机工况基本与点火方式无关。