斜爆震燃烧与斜爆震发动机研究进展

发展更高性能的吸气式高超动力成为未来高超声速飞行器研制的重中之重。现有基于煤油燃料的超燃冲压发动机,主要以爆燃模式组织燃烧,在高来流马赫数(Ma≥8)条件下,将面临高来流总温带来的高温离解和化学非平衡效应所带来燃料的能量难以充分释放和利用的难题,相比之下,斜爆震组织燃烧更接近于等容燃烧,具有燃烧释热速率快、热循环效率高等优势,是一种可应用于高马赫数吸气式动力的理想燃烧模式。斜爆震发动机能够显著缩短燃烧室长度,减少释热面积,是高马赫数飞行器极具潜力的吸气式动力方案。其中,斜爆震发动机内流道各部件的匹配设计、燃料喷注-混合、斜爆震波的起爆与驻定等是斜爆震发动机研制的关键技术,是当前高超声速领域的研究热点。但由于其面临的高速、高总温总压的来流条件以及爆震波在流场中的强间断与高速传播特性等,现有试验与数值模拟研究手段难以开展精细的燃烧流动机制研究,进而限制了相关控制机理的揭示与高精度模型的建立,使得斜爆震发动机工程研制较为困难,当前研究仍存在许多值得探讨的地方,文章在综述的同时对下一步研究提出相关建议。

斜爆震发动机研究进展与技术挑战

斜爆震发动机(Oblique detonation engine,ODE)采用驻定斜爆震波(Oblique detonation wave,ODW)实现高超声速气流中燃料化学能向推进系统机械能的高效转化,可大幅提升吸气式飞行速域上限,具有重要发展潜力和应用价值。本文从早、中、近期3个阶段概述ODE发展历程,总结当下斜爆震燃烧及发动机的研究现状。重点从发动机设计角度综述国内外在斜爆震燃烧组织、燃料喷注掺混以及总体性能与内流设计3方面的研究进展。深入分析了总体约束下的内外流一体化设计、高超声速气流中的燃料喷注掺混、复杂来流条件下的稳定燃烧组织、高热载荷防护以及超高速工况试验条件5大技术挑战及重点关注方向,为后续深入技术攻关及应用提供参考。

有限长度斜劈对燃烧室斜爆震波起爆结构影响研究

斜爆震发动机利用斜劈在超声速可燃混气中产生的斜爆震波实现快速高效的燃烧,在更高马赫数吸气推进领域极具应用潜力。面向斜爆震发动机工程应用,首先需要明确飞行条件下燃烧室内斜爆震波的起爆结构特征。但以往的研究大多采用无限长斜劈假设,不能真实反映实际燃烧室中有限长斜劈下的斜爆震燃烧特性。基于此,本文针对斜劈长度和斜劈后壁面倾斜角度两个关键设计参数,研究了在飞行马赫数8~10条件下,有限长度斜劈对斜爆震波起爆结构的影响。结果表明,对于不同高空飞行工况对应的不同起爆区结构斜爆震波,均存在一个临界斜劈长度,只有当斜劈长度缩短至临界斜劈长度时,斜爆震结构才会明显改变。相反,有限长度斜劈末端产生的膨胀波不会影响斜劈表面热释放和压缩波的汇聚过程,因此不会影响斜爆震波起爆结构。通过分析斜劈表面热释放过程,提出了一种理论的临界斜劈长度预测方法,其在不同飞行工况下的计算结果与仿真结果吻合较好。

环形燃烧室中圆台斜爆震燃烧特性研究

面向宽域爆震组合动力发展需求,首次提出适用于轴对称环形流道的圆台诱导斜爆震燃烧组织形式,通过数值模拟验证较低马赫数飞行工况下圆台诱导驻定斜爆震燃烧的可行性以及与斜劈、圆锥斜爆震燃烧的差异,从几何与来流参数两方面研究了圆台诱导斜爆震波的起爆与驻定特性。结果表明:在Ma7飞行工况,相比于圆锥和斜劈,环形燃烧室中圆台可以同时实现斜爆震波的加速起爆与稳定驻定。圆台上游的压缩作用以及下游的膨胀作用,使得圆台斜爆震波存在脱体而不前传的特殊起爆区结构。圆台内径、圆台角度、来流压缩程度以及当量比增大均有利于圆台诱导斜爆震波的起爆。同时,起爆区结构也会出现从渐变到突变再到稳定脱体的变化规律,相应的起爆距离逐渐缩短,爆震波角度逐渐增大。

超声速斜爆震发动机起爆过程研究综述

对超声速斜爆震发动机的起爆方式进行了比较分析,对起爆发展和稳定特性的研究历程和发展现状进行了综述,对相关的研究方法和技术进行了概括,提出了利用先进光学测量技术,结合激光诱导荧光技术对超声速斜爆震发动机起爆过程进行实验研究的设想。

斜爆震发动机进气道与燃烧室一体化设计仿真研究

针对Ma10量级高超声速飞行器应用背景,为了实现斜爆震发动机一体化,基于氢气与空气预混来流条件,开展斜爆震发动机设计研究。通过压缩波系配置,分析进气道压缩过程对斜爆震发动机燃烧室入口参数影响规律;针对不同燃烧室入口条件,开展斜爆震驻定燃烧过程仿真分析,获得入口来流参数与几何参数对斜爆震燃烧组织过程影响规律;基于优选方案,开展斜爆震发动机进气道与燃烧室一体化数值仿真。研究结果表明:随着当量比、斜劈角增大,爆震波后的压力与温度与相应的爆震波角会增大;通过合理选取进气道与燃烧室结构参数,可以实现斜爆震发动机进气道压缩过程与燃烧组织过程的匹配。

鼓包诱导斜爆震波的数值研究

为实现低马赫数条件下斜爆震波的快速起爆,以及提高斜爆震波对来流扰动的抗干扰能力,提出了通过在诱导区内设置一个小鼓包来控制斜爆震波起爆的方案,并通过数值求解二维多组分欧拉方程研究了楔面和鼓包诱导的斜爆震波。结果表明:通过在诱导区内设置鼓包可实现斜爆震波的提前起爆;且在较宽马赫数范围内,其起爆位置相对固定。鼓包诱导的斜爆震波主要有强耦合和弱耦合两种起爆形式,起爆形式与鼓包和斜激波的相对位置有关。此外,来流扰动会使楔面诱导的斜爆震波剧烈振荡,不利于斜爆震发动机的稳定工作;鼓包的存在对来流扰动所引发的斜爆震波振荡具有一定的抑制作用。

超声速气流中的斜爆震研究进展综述

对超声速气流中斜爆震波的起爆和驻定特性的研究进展进行总结,重点回顾了斜爆震波起爆准则和驻定条件的实验研究。随后对斜爆震过渡区结构及波面胞格结构的研究历程和发展现状进行了概述。此外,对爆震波与湍流边界层相互作用的研究现状进行概述,分析总结了当前斜爆震研究存在的问题,对后续的斜爆震研究内容和研究手段提出建议。

封闭空间中斜爆震驻定稳定性增强方法及其试验验证

采用斜爆震燃烧的高超声速冲压发动机是具有潜力的高马赫数吸气式推进技术方案。克服斜爆震的驻定稳定性问题对实现该技术方案至关重要。本文提出了一种封闭空间中的斜爆震驻定稳定性增强方法,并基于此方法开展了马赫数8.0近真实条件下的直连式试验验证。采用阵列喷管制造超声速预混气,通过关闭近壁单元中的燃料供应,在壁面附近制造了不可燃气体层,使斜爆震入射到壁面附近时衰减为惰性激波,从而削弱了斜爆震的马赫反射,防止了壅塞,增强了斜爆震的驻定稳定性,实现了近真实条件下长时间稳定驻定的斜爆震燃烧。

壁面温度对斜爆震发动机进气道流动特性影响的数值研究

为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响,选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟,对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明,进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象,壁面冷却对其起抑制作用,绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩,同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移,进气道内通道的转捩为分离诱导转捩,转捩位置主要受到分离点位置的影响,整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚,转捩状态下热边界层厚度变化可达5%,温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加,且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时,层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚,约为层流状态3倍,同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。

两种前体压缩方式对斜爆震燃烧影响的数值研究

为推动工程应用,探究斜爆震发动机前体压缩程度对斜爆震燃烧的影响,建立了两道等强激波和斜激波-等熵两种前体压缩简化模型,通过数值模拟对比了飞行马赫数8~10条件下,两种压缩方式对斜爆震波结构以及斜爆震波总压损失的影响。结果表明,前体压缩方式的差异会引起斜爆震波起爆区结构以及起爆位置的变化,且随着飞行马赫数降低,压缩方式对起爆区结构影响减小,对起爆位置影响增大。两道等强激波的前体压缩方式对应的斜爆震燃烧过程总压损失更小,同时可缩短点火起爆距离,有利于缩短燃烧室长度。但综合考虑进气压缩与燃烧过程,斜激波-等熵的前体压缩方式对应燃烧室出口气流总压更大。斜爆震发动机的设计需要综合考虑前体压缩与斜爆震燃烧损失以实现发动机总体性能最优。

前缘钝化和化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道特性的影响

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对顶板、唇口前缘不同钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟。结果表明:相比基准进气道,钝化后进气道出口唇口板侧温度边界层较厚,顶板侧温度边界层较薄;在化学非平衡气体模型下,顶板前缘钝化半径R_(1)≥4mm时进气道顶板附近分离区内离解反应较为明显,氧气的最高离解度约为10.9%;唇口前缘钝化半径R_(2)≥2mm时进气道的唇罩、唇口板附近离解反应较为明显,氧气的最高离解度约为15.2%;当钝化半径≥4mm时,两种气体模型下进气道出口总压恢复系数和静温的相对变化量绝对值均大于0.5%,有必要考虑化学非平衡效应对进气道出口性能的影响。

来流状态对超声速气动斜劈诱导爆震起爆过程的影响

超声速斜爆震热射流起爆特性受到气流状态参数的影响。针对低速持续热射流,采用高速激光纹影技术和压力传感器测压技术,研究低速热射流预混气来流当量比、温度和速度等状态参数的影响。实验发现,当量比对起爆过程的影响具有一定的随机性,但一般情况下,当量比的增加,有利于爆燃向爆震转变(Deflagration toDetonation,DDT)过程;提高来流温度,将缩短DDT时间,有利于起爆;而提高来流速度,则将阻碍剪切层发展,导致混合效果变差,不利于起爆。

斜爆震发动机的流动与燃烧机理

斜爆震发动机是一种用于吸气式高超声速飞行器的新型动力系统.它利用斜爆震波实现超声速气流中的高效燃烧,具有放热快、比冲高、燃烧室短、运动部件少等科学和技术优势,是高超声速推进技术的前沿方向.这种发动机的关键是斜爆震波的起爆与波系控制,因此需要对燃烧室的流动与燃烧机理进行深入研究.在激波与燃烧耦合作用下,斜爆震会形成具有多波结构的起爆区,是一种受燃料性质影响的复杂波系结构.这种波系结构通过高速来流的作用驻定在楔面上,然而其对来流参数变化非常敏感,因此需要对可能出现的非定常波动力学过程进行研究.此外,受限空间中的斜爆震结构,即斜爆震波系结构与发动机几何约束的作用,也是斜爆震发动机研制必须面临的问题.本文对上述几个方面的研究进展进行了综述,在总结研究成就的基础上,阐释了斜爆震发动机研制面临的关键问题,提出了下一步研究需要重点关注的方向.

爆震发动机研究进展

爆震是实现增压燃烧的一种重要途径,得益于爆震循环的热效率增益,基于爆震构建的推进装置具有显著的理论性能优势,有希望推动航空航天动力技术的跨越发展。本文在总结经典爆震理论和爆震推进相关的基础科学问题进展的基础上,进一步介绍了连续旋转爆震发动机的低阶模型建立方法以及涡轮式和冲压式连续旋转爆震发动机性能分析等方面的研究进展,并概括了斜爆震发动机的性能分析和关键问题研究进展。最后基于当前研究基础提出对爆震发动机未来研究的展望。

超声速气流中的爆震推进理论与研究进展

爆震燃烧近似为等容燃烧,理论上其热循环效率高于基于等压燃烧的爆燃燃烧,在超声速推进系统中具有潜在的应用价值.通过总结超声速气流中的爆震推进理论与研究进展,分析其需要解决的关键科学与技术问题,指导未来高超声速发动机的基础研究.文章重点总结了适用于高超声速飞行的斜爆震发动机、超声速脉冲爆震冲压发动机的基础研究进展.其中对斜爆震发动机的应用模式、相关实验研究思路及方法、数值仿真现状进行了总结分析.对超声速脉冲爆震冲压发动机的基础理论研究现状和目前研究的难点进行了梳理.基于爆震燃烧的超燃冲压发动机具有推进系统自增压、燃烧效率高、推力性能好、推进效率高、燃烧室长度短、结构重量轻等优势,文章总结了该发动机当前的发展进程和最新的研究进展,并对其未来的发展方向以及存在的技术问题进行了分析.

爆震发动机研究进展

爆震发动机是一种新型热力循环动力系统,具有释放速率快、自增压、热循环效率高、推重比大等优点,是目前倍受关注的新概念发动机。简要介绍了四种爆震发动机,总结了其研究现状、发展历史以及发展趋势,分析了开展爆震发动机研制必须解决的主要技术问题,展望了爆震发动机未来广阔的军民用应用前景,可为爆震发动机的相关研究与工程应用提供借鉴和参考。