变循环涡扇冲压组合发动机发展现状及关键技术分析

总结了国内外变循环涡扇冲压组合发动机的发展现状,对比分析了有/无能量传递构型的变循环涡扇冲压组合发动机的工作原理及优缺点。提炼了变循环涡扇冲压组合发动机的关键技术,包括总体性能仿真技术、高速宽工况风扇设计技术、加力/冲压燃烧室设计技术、热管理系统设计技术以及模态转换设计技术。基于国内需求和相关技术研究现状,给出了变循环涡扇冲压组合发动机后续重点研究方向的建议,包括发动机总体性能设计与仿真工具、发动机多设计点多学科耦合设计方法、发动机热管理系统设计与仿真建模以及关键部件的设计与试验。     

可压缩湍流边界层燃烧减阻研究综述

减阻设计对于提高超燃冲压发动机性能具有重要意义,而边界层燃烧是一种有效的减阻方法。综述分别从实验、理论和数值模拟研究方面介绍了边界层燃烧减阻的相关进展。实验研究验证了边界层燃烧减阻的有效性,研究了不同因素对边界层燃烧减阻效率的影响,初步形成了将该减阻技术应用于高超声速飞行器的能力。理论研究建立了考虑边界层燃烧的壁面摩阻、热流理论计算模型,而数值模拟帮助揭示了边界层燃烧减阻的内在物理机理。澳大利亚Queensland大学在该方面开展了较为系统的研究,欧洲、美国、俄罗斯、日本等在该方面极少公开发表相关研究成果。中国学者取得了一定进展,但与世界先进水平仍有较大差距,尤其是在实验研究方面。     

超燃冲压发动机性能参数测量不确定度分析

以AIAA(AIAA S-071A-1999)推荐的不确定度评估标准,借鉴国内外在风洞试验、航空发动机性能测量、火箭发动机地面试验性能等不确定度分析方面开展的研究工作,建立了符合统计学一般原理的超燃冲压发动机总体性能参数测量不确定度分析和计算方法,开展了超燃冲压发动机总体性能参数测量不确定度进行了分析。结果表明:超燃冲压发动机自由射流试验中系统误差引入的不确定度占主导地位,占总不确定度的90%以上。该研究结果有利于提高超燃冲压发动机总体性能测量精度,为超燃冲压发动机的科学研究和工程设计提供支撑。     

基于acetone-PLIF技术的超燃冲压发动机燃烧室燃料/空气掺混特性

针对超燃冲压发动机燃烧室内燃料/空气掺混特性,设计了一套以acetone-PLIF（planar laser-in-duced fluorescence）为技术手段的流动显示测量系统,得到了4种不同结构交错楔形支板在不同特征截面处的丙酮荧光图像,研究了喷嘴位置和尾缘角这两个变量对燃料/空气掺混效果的影响。结果表明:“基准”支板NL1的流场结构主体上表现为横向“S”形曲线,燃料/空气的掺混效果相对普通; NL2支板虽然增大了一些丙酮的扩散范围,但有荧光信号的掺混区域面积却反而有所下降;而引入扩张型尾缘角变量的EL1支板则是大幅改善了燃料/空气的掺混效果,54 mm截面的丙酮分子充满了较大片区域,掺混区域超过截面的1/2。      

二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度研究

为了研究内收缩比和来流马赫数对二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度的影响规律及失稳机制,采用二维非定常仿真方法研究了内收缩比(ICR)为1.04～1.25的进气道在来流马赫数Ma₀为2.4的条件下,以及内收缩比为1.08的进气道在来流马赫数为2.2～2.8条件下,其由稳态向失稳状态转变的过程。研究结果表明：(1)当Ma₀=2.4时,在1.04≤ICR≤1.12内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度ζ减小;1.16≤ICR≤1.25内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度增大。(2)在内收缩比为1.08的条件下,马赫数变化引起的分离激波角和分离包再附压升两个关键因素变化共同主宰着进气道亚临界稳定裕度的变化趋势。(3)总体上,根据稳定亚临界初始状态的三相点无量纲高度?_b是否大于1可将进气道的亚临界稳定裕度变化情形分为两类,当?_b<1时,ζ随着?_b的增加而减小;当?_b> 1时,ζ随着?_b的增加而增加。     

超声速气流中煤油射流的等离子体点火实验

在直连式超燃实验台上开展来流马赫数为2.5,总温为1650K的液态煤油燃料点火实验.在未使用引导氢气的情况下,利用输入能量为1.5kW的电弧等离子体炬实现煤油可靠点火和稳定燃烧.研究了煤油的不同喷注位置、喷射压力对点火性能的影响.实验表明:燃料喷口距离点火凹腔为550mm,喷射压力为1.5~2.3MPa时,可成功点火,更近的喷射位置和更高的喷射压力无法点火,分析认为点火凹腔的局部混合特征是影响点火的关键因素.根据点火和火焰前传的高速摄影图,发现下游凹腔在点火初期的作用不大,但是对于稳定燃烧和火焰前传有重要作用.      

后置燃气发生器的新型固冲发动机工作过程数值模拟

进行了后置燃气发生器的新型固体火箭冲压发动机直连式试验,并对实验演示用发动机补燃室三维内流场进行了数值模拟,将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。采用单因素比较分析的方法,研究了一次燃气喷射方式与补燃室长度对固冲发动机性能的影响。结果表明,一次燃气喷射角度为150°时的燃烧效率比60°时高14%,补燃室燃烧效率在一次燃气喷射角度为180°时达到最大值;8喷口的燃烧效率高于4喷口;补燃室长度增加,燃烧效率增大,补燃室长度为149 mm时的燃烧效率比99 mm仅高5%。     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室掺混燃烧数值研究

根据国外研究机构的直连式试验数据,设计了固体燃料超音速燃烧室模型,建立了超音速燃烧数值计算的数学模型,通过数值模拟获得了超音速燃烧室流场内的气体状态参数分布。结果表明,超音速燃烧室静压随轴向距离的增加而逐渐降低;流场中心区域为混合超音速流动,而后向台阶的圆周区域为亚音速流动;燃烧效率随轴向距离的增加而增加。     

涡轮增压固体冲压发动机补燃室燃烧数值模拟研究

提出了涡轮增压固体冲压发动机补燃室三股气流燃烧数值模拟的方法。分别采用Standard k-ε、k-εRNG、k-ωSST湍流模型,结合三维N-S方程、颗粒轨道模型、King硼粒子点火模型、硼粒子燃烧模型建立TSPR发动机补燃室三维两相流动燃烧模型。首先,利用本文模型进行冷流掺混分析,确定了试验发动机构型并进行燃烧试验,三股气流形成了稳定燃烧;然后,将数值计算得到的补燃室压强、特征速度、燃烧效率与实验结果进行对比分析,并进行了计算模型可信性分析;文中综合湍流模型对TSPR补燃室燃烧情况模拟的影响,得出硼颗粒模型是进一步提高含硼三股气流模拟精度的主要原因。说明本文采用的模型以及与之相匹配使用的方法适用于TSPR发动机补燃室燃烧情况的分析。采用本文补燃室结构进行试验,有无硼成分的试验燃烧效率分别达到82.1%和88.8%,数值模拟结果显示,还应进一步改进补燃室结构,以降低总压损失,促进补燃室壁面附近的空气参与燃烧,并提高硼粒子燃烧效率。     

水下气液两相冲压发动机非设计点性能分析

针对水下气液两相冲压发动机非设计工况下运行特性,建立数学模型并开展数值模拟研究,分别分析了通入气体质量流率、航行速度及环境压力变化对发动机性能的影响等,以期全面了解发动机特性,为其设计工作奠定理论基础。计算分析表明:发动机推力随气体质量流率的增大而增大,推进效率随其增大而减小;当实际航行速度大于设计值时,发动机推力略有增大,推进效率在速度为设计值时具有最大值;发动机推力及推进效率均随环境压力增大而略有减小。通过反馈控制调节气体质量流率,可使发动机输出与阻力相近的推力值,使航行体在工作速度范围内的任意速度值下实现匀速航行。