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%。     

固体燃料超燃冲压发动机燃速研究进展

对固体燃料超燃冲压发动机燃烧面退移速率（简称燃速）研究现状和进展进行了详细阐述,分别从固体燃料类型、燃烧室构型、理论预估模型、数值模拟及实验研究等方面出发,论述了固体燃料在超声速流动下燃速研究的进展和难点;从亚燃冲压发动机、热防护层、富氧环境下绝热层烧蚀3个方面提炼出可以用于超燃冲压发动机燃速研究的经验和方法:①提出了加强针对固体燃料超声速流动中受热行为、传热传质过程的研究方向;②深入探索了固体超燃燃速性质;③开发了对应的数值软件及系统地进行实验等观点,为国内该领域的研究提供参考.      

非对称喷管化学非平衡粘性湍流流动数值研究

采用RNG k−ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,针对设计的超声速燃烧冲压发动机单斜面膨胀喷管,采用氢氧七组元八反应模型,数值模拟不同高度、不同来流马赫数条件下的喷管流场和性能。计算结果表明,喷管内的进一步燃烧对燃烧室起到了一定的补燃作用,对喷管性能影响较大。化学非平衡状态下,喷管推力特性和升力特性显著提高。超燃冲压发动机尾喷管的性能研究,应考虑化学非平衡流动的影响。     

可压缩管流中真实气体效应的理论分析与数值模拟

为研究超燃冲压发动机冷却通道内复杂碳氢燃料的可压缩流动特性及相关影响因素,本文在典型工况条件下讨论了超声速膨胀流中真实气体效应的影响。基于平衡热力学理论,明确了气体动力学基础导数对可压缩流动的关键影响,并从气体动力学基础导数的角度出发考察了多种碳氢燃料在临界点附近的特性。同时,在数值模拟程序中耦合了立方型状态方程以准确描述超临界碳氢燃料的热物性参数。最后,对超临界条件下的二维超声速膨胀流进行了数值模拟,捕捉到了超声速扩张管道流动中马赫数下降的现象并揭示了其相应的物理机制。此外,参考发动机冷却通道内的典型工况条件,系统考察了不同入口马赫数、压力与温度等不同来流条件下真实气体效应的影响规律。     

超燃冲压发动机研究回顾与展望

自20世纪50年代以来,航空航天领域把超燃冲压发动机作为高超声速推进系统的一种追求目标,在理论和技术方面矢志不渝地开展了大量研究工作。21世纪初,美国取得了一系列接近实际应用的技术突破,将超燃冲压发动机技术的研究和应用推动至新阶段。简述了超燃冲压发动机工作原理,论述了双模态工作过程、高超声速压缩流动、超声速燃烧、超高温结构与热防护、地面试验与数值模拟等关键技术的难点和新进展,并针对超燃冲压发动机宽速域、可重复和更高马赫数等当前重点技术发展方向,阐述了认识和建议。     

化学非平衡流动对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响

采用RNGk-ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,针对设计的超声速燃烧冲压发动机单斜面膨胀喷管,采用氢氧七组元八反应模型,数值模拟不同高度、不同来流马赫数条件下的喷管流场和性能.计算结果表明,喷管内的进一步燃烧对燃烧室起到了一定的补燃作用,对喷管性能影响较大.化学非平衡状态下,喷管推力特性和升力特性显著提高.超燃冲压发动机尾喷管的性能研究,应考虑化学非平衡流动的影响.      

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

非稳态超声速燃烧研究进展

超燃冲压发动机内部的超声速燃烧过程已经得到了持续和广泛的研究。随着研究的不断深入,超声速燃烧基础研究的关注热点,也逐渐从以火焰稳定过程为代表的准稳态过程,转到了以燃烧振荡过程为代表的非稳态过程。目前,非稳态超声速燃烧及其调控已经成为超燃冲压发动机迈向真正实用化所必需解决的问题。本文以非稳态超声速燃烧作为研究对象,分别针对超燃冲压发动机燃烧室中的声学振荡、流动诱导的燃烧不稳定、点火过程、火焰闪回以及近吹熄极限的火焰不稳定这五个典型非稳态超声速燃烧过程进行了系统的综述,梳理了近年来关于非稳态超声速燃烧过程的研究进展,分析了非稳态超声速燃烧过程机理并给出了一些模型及调控方法。最后,为下一步开展非稳态超声速燃烧研究提出了建议。     

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.      

主动冷却燃烧室燃烧与传热耦合过程迭代分析设计方法

为了对主动冷却超燃冲压发动机进行研究与设计,采用实验与计算相结合的方法,对主动冷却超燃冲压发动机燃烧室内传热与燃烧的耦合过程进行了分析。该方法采用燃烧室静压分布的测量值作为输入条件,开展燃气-结构-燃料耦合传热分析,获得经过冷却系统后燃料的状态参数;将燃料的状态参数作为实验参数,开展直联式超声速燃烧实验,得到新的静压分布,如此反复迭代,直至燃料状态不再变化,最终确定主动冷却燃烧室的各种传热与燃烧特性参数。利用该分析方法,初步开展了不同飞行马赫数条件下主动冷却燃烧室闭环运行状态研究,得到了冷却煤油温度与燃烧室壁温同飞行马赫数的关系。     

解离效应对超燃冲压发动机燃烧与传热的影响特性研究

为了分析高温解离效应对超燃冲压发动机燃烧和传热的影响,在超声速流动与燃烧一维理论模型的基础上,提出了"解离效率"的概念,建立了一种对高温燃气解离吸热效应进行量化评估的方法和发动机流动理论分析模型.应用该模型对日本宇宙航空研究开发机构M12-02发动机模型进行了研究,定量分析了解离效应对飞行马赫数12条件下超声速燃烧流动...     

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

高温超声速流中爆震波特性数值研究

通过对高温超声速流中爆震波性质的研究,评估其在高超声速冲压发动机燃烧室的燃烧组织中应用的可行性,并通过数值模拟对分析结论进行了验证。提出了一种新的爆震波起爆机制,注入高温超声速流中的燃料混气可通过自身缓慢的释热使流动进入局域热壅塞状态,进而借助局域热壅塞产生的激波实现爆震波的起爆。计算结果表明在适宜的温度与马赫数条件下,注入高温超声速流中的燃料可通过新的起爆机制在超声速流中形成一道稳定的驻定爆震波。表明在高超声速冲压发动机燃烧室中存在着通过驻定爆震波实现火焰稳定的可能性。     

超声速燃烧中的特征尺度及影响因素

针对超燃冲压发动机典型的飞行条件,分别以氢气、乙烯和煤油(由质量分数为0.8的正十烷和0.2的三甲基苯化学替代)作为燃料,分析了超声速燃烧中的特征尺度及其影响因素,给出了细致的超燃冲压发动机工作范围,并探讨了火焰面模型在超声速燃烧数值模拟中的适用性.结果表明:从氢气、乙烯到煤油,超燃冲压发动机工作范围依次减少,丹姆克尔数(Da)呈现量级的变化,火焰模式以旋涡小火焰为主,其中Taylor尺度起着关键性作用.同时也发现:相对于亚声速燃烧,在超声速燃烧的数值计算中,对能否采用火焰面模型还需要更加仔细的考虑.      

超声速燃烧凹腔质量交换特性的混合RANS/LES模拟

对超声速冷流及燃烧流条件下超燃冲压发动机火焰稳定凹腔的质量交换特性进行了研究.采用混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large-eddy simulation)方法对非定常流场进行数值模拟,系统研究了凹腔结构参数和横向喷流燃烧放热对凹腔质量交换特性的影响.首次采用"原子追踪法"对化学反应流条件下的凹腔质量交换过程进行了刻画.结果表明:在冷流条件和燃烧流条件下,凹腔驻留时间均随长深比的增大而增加;凹腔后缘倾角对驻留时间的影响在冷流条件下比较显著,而在燃烧流条件下明显减弱;相同结构的凹腔,在燃烧流条件下的驻留时间相对于冷流条件明显减小.      

超声速气流中煤油燃烧的实验研究

为了得到双模态超燃冲压燃烧室模型在不同飞行马赫数时的性能参数，在直连式风洞中，飞行马赫数为4，5，6的来流条件下，对液体煤油的超声速燃烧进行研究。对于试验的三种热态工况，液体煤油实现了点火，并稳定燃烧；并且其工作状态都是典型的亚燃冲压模态。通过一维模型对壁面静压进行分析，得到了燃烧室流场参数和性能参数。在各个飞行马赫数和当量比条件下，燃烧室出口总压损失分别是0．565，0．696和0．725，都接近试验测量值；燃烧室出口的燃烧效率分别为0．82，0．67和0．60。不同飞行马赫数下双模态燃烧室试验数据和参数，为其性能的进一步改进提供了实验依据。     

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。     

基于火焰面模型的超声速燃烧混合LES/RANS模拟

为了明晰超燃冲压发动机燃烧室内部燃烧过程的细节,建立了超声速湍流燃烧稳态火焰面亚格子模型,并采用混合LES/RANS方法对氢燃料超燃冲压发动机进行算例验证.控制方程对流项用五阶精度WENO格式离散,时间方向采用二阶Runge-Kutta方法.研究表明:(1)冷流流场中燃料分布与大尺度结构分布相似,说明混合过程受大涡控制;(2)燃烧流场中涡的尺寸明显变大,且仅存在于火焰面上,另外温度分布和主要生成物分布与涡量云图基本相同,说明燃烧过程也由大涡控制;(3)时均计算结果与实验阴影基本符合,速度剖面和温度剖面与实验测量值定性一致,说明本文的数值模拟方法和燃烧模型可以较好地描述和预测超声速流动燃烧过程.     

涡轮冲压组合发动机涡轮基改型设计研究

基于现有涡扇发动机,按涡轮冲压组合发动机技术验证要求,开展了基于成熟涡扇发动机改涡轮基的设计研究。根据涡轮基工作性能和技术要求,分析了改型设计的难点,并开展了涡轮基控制计划设计、高空大马赫数起动设计、超声速燃烧设计、低转速接通加力设计、全权限控制系统设计、燃滑油系统设计、高空封严设计和涡轮基与冲压级匹配设计。通过整机试验验证改型后发动机满足验证平台需求,并配装冲压组合发动机平台完成关键技术验证试验。对其他发动机的改型设计具备一定的工程参考价值。