超燃冲压发动机燃烧模态转换试验研究

在模拟飞行高度为25 km、来流马赫数为6的情况下,采用试验研究的方法对超燃冲压发动机燃烧模态转换进行了直连式试验。根据燃烧室壁面压力分布和一维模型分析表明,燃料喷射位置和当量比的动态改变,实现了燃烧室内燃烧模态的动态转换。不同燃料喷射位置切换顺序比较表明,燃烧室内燃烧状态的改变受燃料分布所决定,但是燃烧室自身具有一定的抗波动能力。     

斜爆轰发动机的推力性能理论分析

爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点. 斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织, 在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位. 以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等, 缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析. 本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解, 建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型. 在斜爆轰波系研究成果的基础上, 选取了过驱动斜爆轰、Chapman?Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程, 并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响. 此外, 还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律, 发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素. 最后, 结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果, 提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向.      

碳氢燃料超声速燃烧分区实验研究

高保真度空天发动机数值模拟通常基于快速化学反应火焰面假设,即超声速燃烧反应的特征尺度小于湍流Kolmgorov尺度,该模型方法对于氢气燃料仿真计算结果较好,但对于乙烯等碳氢燃料仍需进一步研究.受限于极端环境特种非接触测量技术,目前尚未见超声速燃烧火焰分区判别的实验研究,导致目前超声速燃烧火焰面模型适用性以及分区燃烧物理模型认识不清,进而也制约了数值发动机技术发展.本工作基于自主研发的MHz发动机内窥光纤传感器,针对单边扩张双模态冲压发动机超声速燃烧火焰分区开展实验研究,通过化学自发光信号的最小香农熵定义超声速燃烧的特征时间τsc,根据理论方法和来流工况估算了超声速燃烧的流动特征时间,结合分区燃烧理论分析了双模态超燃冲压发动机内碳氢燃料燃烧的分区情况.通过燃烧分区情况以及与泰勒尺度的比较结果,验证了碳氢燃料超燃冲压发动机典型飞行条件下燃烧室内超声速燃烧处于旋涡小火焰区域(Re?50 000; Da∈1.80～2.60, B区),多尺度湍流涡结构发挥重要作用,并随着相对于泰勒尺度的不同大小,分别对应了不同尺度的涡结构主导该过程.同时给出了当量比、通量比以及来流马赫数对燃烧特征时间的影响规律...     

高马赫数燃烧强化的激波风洞试验研究

基于中国科学院力学研究所的JF-24激波风洞, 通过开展高马赫数超燃冲压发动机的直连试验, 研究了高马赫数燃烧的强化方法以及燃料类型对燃烧的影响. 试验段是采用凹腔结构的圆截面燃烧室, 喷孔布置在隔离段, 燃料分别是氢气和乙烯, 当量比均为0.7. 燃料喷注分别采用无支板和小支板两种构型, 后者部分喷孔位于小支板顶部. 两种构型均设置了流向近距双排喷孔, 可分别进行单环和双环喷注. 试验结果论证了飞行马赫数10.0条件下氢气和乙烯在超高速气流中的稳定燃烧性能. 并且, 相比于单环喷注, 双环喷注以及补充小支板可以强化燃烧. 推测其原因是双环射流和激波/分离结构的近距离交互作用很可能改善掺混, 而补充小支板顶部喷注还能利用更多空气组织掺混. 在同样采用双环耦合小支板顶部喷注的强化措施下, 氢气与乙烯燃烧效率接近, 但氢推力性能更优. 这是因为较高热值氢的释热更多. 此外, 试验还证明了在当前来流条件下, 释热受控于掺混, 且高温离解效应限制释热上限. 这是由于释热降低流速且提高静温, 使高温离解的吸热效应更加显著.      

汽油机燃烧室内温度场测量的激光剪切干涉法

采用激光剪切干涉法测量了汽油机燃烧室内的温度场,并分析了剪切干涉法测温的基本原理,推导出利用干涉条纹图求解温度分布的关系式。在一台二冲程火花点火发动机上设置石英窗和信号同步系统,建立了适合高速摄影的激光剪切干涉测量装置。通过改变剪切干涉量,测取发动机燃烧室内干涉条纹图,从而获得缸内燃烧的二维温度场。结果表明,激光剪切干涉法抗振性强,光路简单可靠,可以进行高速摄像,是研究内燃机燃烧过程的有效方法。从温度场可以看出,燃烧过程中缸内大致可分为三个区,即已燃区、未燃区和燃烧区,具有不同的温度分布和温度梯度。燃烧区温度最高,温度梯度大;已燃区温度次之,梯度较小;未燃区温度最低,但梯度较大。     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明:在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

用于推进的三种爆轰波的结构特征

爆轰发动机研究的关键技术之一是如何将其控制在燃烧室内.根据控制手段的不同,爆轰发动机可大致分为:驻定爆轰发动机、脉冲爆轰发动机和旋转爆轰发动机.存在于燃烧室的爆轰,在宏观和精细结构以及自持机理等方面皆不同于CJ(Chapman Jouget)理论为基础的经典爆轰.本文将对此类无害爆轰的特征结构进行分析、比较与评述,这对了解爆轰理论和研制爆轰发动机是有益的.      

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率,近年来引起人们的关注。其中,点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的,本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法,并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明,燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显,它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法,本文对燃烧室初始流速为360 m/s,喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰,得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s,频率为5 347.6 Hz。此外,燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标,文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

Supersonic combustion and hypersonic propulsion

50 多年的努力和曲折经历证明了超声速燃烧冲压发动机概念的可行性. 本文对影响超燃冲压发动机技术成熟的主要因素作了扼要的分析. 高超声速推进的首要问题是净推力, 利用超声速燃烧获得推力遇到各种实际问题的制约, 它们往往互相牵制. 几次飞行试验表明高超声速飞行需要的发动机净推力仍差强人意, 液体碳氢燃料(煤油) 超燃冲压发动机在飞行马赫数5 上下的加速和模态转换过程, 成为高超声速吸气式推进继续发展的瓶颈. 研究表明, 利用吸热碳氢燃料不仅是发动机冷却的需要也是提高发动机推力和性能的关键举措, 燃料吸热后物性改变对燃烧性能的附加贡献对超燃冲压发动机的净推力至关重要.当前, 实验模拟技术和测量技术相对地落后, 无法对环境、尺寸和试验时间做到完全的模拟. 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD) 逐渐成为除实验以外唯一可用的工具, 然而, 超声速燃烧的数值模拟遇到湍流和化学反应动力学的双重困难. 影响对发动机的性能作正确可靠的评估.提出双模态超燃冲压发动机模态转换、吸热碳氢燃料主动冷却燃料催化裂解与超声速燃烧耦合、燃烧稳定性、实验模拟技术与装置、内流场特性和发动机性能测量、数值模拟中的湍流模型、煤油替代燃料及简化机理等研究前沿课题, 和未来5~10 年重点发展方向的建议.     

飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析

为提升针对高马赫数发动机的模拟能力,对计算方法进行了可压缩性修正,并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟,分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征.研究结果表明:(1)修正后的方法计算所得激波位置及强度与试验值吻合,在激波串模拟、高马赫数发动机模拟上均展现了更优的能力.(2)发动机内形成激波与反...     

Experimental investigation of combustion mechanisms of kerosene-fueled scramjet engines with double-cavity flameholders

A scramjet combustor with double cavitybased flameholders was experimentally studied in a directconnected test bed with the inflow conditions of M = 2.64,Pt = 1.84 MPa,Tt = 1 300 K.Successful ignition and selfsustained combustion with room temperature kerosene was achieved using pilot hydrogen,and kerosene was vertically injected into the combustor through 4×φ 0.5 mm holes mounted on the wall.For different equivalence ratios and different injection schemes with both tandem cavities and parallel cavities,flow fields were obtained and compared using a high speed camera and a Schlieren system.Results revealed that the combustor inside the flow field was greatly influenced by the cavity installation scheme,cavities in tandem easily to form a single side flame distribution,and cavities in parallel are more likely to form a joint flame,forming a choked combustion mode.The supersonic combustion flame was a kind of diffusion flame and there were two kinds of combustion modes.In the unchoked combustion mode,both subsonic and supersonic combustion regions existed.While in the choked mode,the combustion region was fully subsonic with strong shock propagating upstream.Results also showed that there was a balance point between the boundary separation and shock enhanced combustion,depending on the intensity of heat release.     

高马赫数超燃冲压发动机技术研究进展

吸气式高超声速飞行在空间运输和国家空天安全领域具有极高价值,超燃冲压发动机是其核心动力装置.目前飞行马赫数4.0～7.0超燃冲压发动机技术日趋成熟,发展更高速的飞行动力技术成为今后临近空间竞争焦点之一.本文对飞行马赫数8.0～10.0的高马赫数超燃冲压发动机技术进行了分析和综述.首先论述其亟待解决的关键问题和技术,分别...     

不同自燃模式对压力波动形成的影响

在内燃机中,HCCI(均值混合气压燃)爆震、汽油机常规爆震、汽油机超级爆震都是由未燃混合气自燃引起的化学能突然释放,从而产生振荡燃烧,但其压升率及压力振荡幅值却截然不同。为了阐明其中机理,根据上述的带震荡的燃烧压力波变化规律,提出以实验测得的放热率为基础的“能量注入法”,建立了3种自燃模式。通过对能量方程中的热源项进行分类改变,进而对3种自燃模式进行数值模拟、对其产生的压力波动进行比较分析。模拟结果表明,不同震荡特征的燃烧压力波源于不同的自燃模式,从而导致其宏观表现的压升率以及压力波振荡幅值有极大的差异。以放热率为基础的“能量注入法”能准确、快捷地探究内燃机燃烧室中压力波的形成与传播。     

Computations of a Hydrogen-Fueled Scramjet Combustor on Locally Refined Meshes

Simulations of an experimental hydrogen-fueled scramjet combustor are conducted using a novel dynamic hybrid Reynolds-averaged Navier-Stokes/large-eddy simulation (DHRL) modeling framework. The combustor has a Mach 2 core flow with a ramp fuel injector resulting in an equivalence ratio of 0.17. Three grid resolutions are obtained using local refinement by a factor of two in each direction in the fuel mixing and combustion region, and results from the three grids are used to understand the effect of grid refinement. Simulations reproduce temperature, pressure, velocity, and fuel concentrations in reasonable agreement with experimental measurements. Although heat release decreases on average, as the mesh is refined, peaks of heat release are intensified causing locally elevated temperatures. Spectral analysis of turbulence kinetic energy and heat release suggests stringent resolution requirements for reacting simulations capable of accurately resolving the effects of chemical reactions. Using the medium grid the DHRL model is compared to the improved delayed detached eddy simulation (IDDES) model and two Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) models. Overall, the DHRL framework significantly outperforms other methods when compared to the experimental pressure rise. Additionally, spectral analysis suggests that the current framework is capable of accurately resolving turbulent structures at frequencies higher than IDDES. The study is the first documenting the use of DHRL for supersonic reacting flow and results suggest that it is a viable alternative to existing turbulence treatments for these types of flows.     

关于超声速燃烧与高超动力

先进发动机是航空工业的核心技术,而吸气式高超声速发动机一直是宇航飞行技术研发的首位难题.发动机的性能依赖于其能量转换模式和燃烧组织方法,相关理论研究具有基础性和启发性意义.论文首先讨论了超声速燃烧,它一直是超燃冲压发动机技术的理论基础.然后综述了相关研究进展,提出了吸气式高超声速冲压推进技术的3个临界条件,或者称为临界...     

OH-PLIF visualisation of radical farming supersonic combustion flows

Experimental investigations employing Planar Laser-induced fluorescence visualisation of the qualitative distribution of the OH radical (OH-PLIF), coupled with surface pressure measurements, have been made of flow in a generic, nominally two-dimensional inlet-injection radical farming supersonic combustion scramjet engine model. The test flows were provided by a hypersonic shock tunnel, and covered total enthalpies corresponding to the flight Mach number range 8.7–11.8 and approximately 150 kPa dynamic pressure. The surface pressure measurements displayed radical farming behaviour, that is a series of adjacent high and low pressure regions corresponding to successive shock/expansion structures, with no significant combustion-induced pressure rise until the second structure. OH-PLIF imaging between the first two structures provides the first direct experimental evidence of significant OH radical concentrations upstream of the ignition point in this mode of scramjet operation and shows that combustion reactions were occurring in highly localised regions in a complex turbulent and poorly micromixed fuel/air mixing layer confined to the fuel injection side of the combustor.