马赫数10条件下冲压发动机内氢气燃烧特性试验

针对高马赫数超燃冲压发动机面临的高效燃烧组织挑战,本文提出了一种凹腔后缘激波强化的高马赫数超声速燃烧组织技术,并设计了一套燃烧室采用双侧对称布置凹腔结构的三维发动机试验模型。采用OH*基化学发光光谱诊断与壁面测压相结合的试验手段,在自由活塞驱动激波风洞的名义Ma=10流场中,对凹腔上游横向氢气射流的燃烧特性进行了研究,并讨论了模拟流场的重复性,给出了氢气燃烧演化特征、火焰稳定结构及释热特性。不同车次的总压等流场参数表明试验流场具有较高的重复性,可保障氢气燃烧特性的可复现性。通过观察试验过程中OH*基动态发光特征发现,在高焓激波风洞发动机试验中采用燃料提前喷注的方法使发动机流道在空气主流到来之前充盈大量的氢气,进而在主流到达发动机内的瞬间形成所谓“激波管流动-燃烧”效应,使来流空气与氢气接触面发生自点火与剧烈燃烧,产生显著不同于发动机正常工作情况下的点火与燃烧机制,但随着主流趋于平稳,“激波管流动-燃烧”效应消失,在高总温气流的自点火效应与凹腔后缘的X型激波耦合作用下,火焰稳定在凹腔上游近壁面区的氢气射流尾迹区和凹腔后缘附近的全流场中。通过分析壁面压力分布特征发现,凹腔后缘的X型激波实现了燃烧的强化与火焰的稳定,并获得了最显著的释热压升。这些结果表明高马赫数冲压发动机可利用凹腔后缘X型激波强化燃烧和稳定火焰。

进口拐角波系对超燃冲压发动机尾喷管的性能影响

为了探究进口拐角波系对超燃冲压发动机喷管的壁面压力分布作用机制,考虑进口拐角波系对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响,开展不同拐角波及其强度对喷管气动参数影响的数值模拟分析。进行数值方法有效性和网格无关性验证,利用不同的前后台阶来形成进口拐角波系,研究了不同波系和波系强度对喷管气动性能的影响。结果表明,进口拐角波系造成的进口非均匀对喷管气动性能造成显著影响,其中推力系数在上下壁面存在后台阶时最大增加13.98%,升力在下壁面前台阶时提高94.32%,而俯仰力矩则在上壁面前台阶、下壁面后台阶时最多降低35.47%。当喷管进口存在单侧前台阶时,随台阶高度增加,升力与俯仰力矩的变化趋势一致;而喷管进口存在单侧后台阶时,结论相反。此外,壁面台阶对喷管性能的影响是相互独立的,且基本符合线性叠加原理。

燃烧室前缘扩张角对旋转爆震冲压发动机的影响

针对圆柱形隔离段-燃烧室构型的旋转爆震冲压发动机,开展了总温为860 K、马赫数为2的来流条件下的直连式试验,探讨了燃烧室前缘扩张角(θ=30°,45°,60°,90°)对爆震波传播特性、工况范围及压力分布的影响。结果表明:当燃烧室前缘扩张角为90°时,燃烧模态均为爆燃燃烧;随着扩张角的减小,燃烧模态将会向锯齿波和混合模态(包含单波阶段)转换。当燃烧室前缘扩张角为30°时,旋转爆震的自持工况范围最宽且燃烧室压力最高;同时,随着燃烧室前缘扩张角减小,实现混合模态的当量比下限降低。此外,分析了燃烧模态对来流的影响,发现:锯齿波/混合模态燃烧室内存在的周期性高频压力扰动会使隔离段内的激波串位置前移;混合模态对超声速来流的影响最为显著。

超燃冲压发动机羟基/煤油-PLIF同步测量研究

应用一套500 Hz PLIF(Planar laser induced fluorescence)系统开展了煤油燃料超燃冲压发动机实验研究,实现了超燃冲压发动机燃烧室内火焰结构和煤油分布可视化测量。通过对OH-PLIF和煤油-PLIF同步测量方法分析,揭示了超燃冲压发动机煤油掺混燃烧振荡特性规律。利用PLIF图像的几何特征、强度特征和动态模态分解,分析了煤油掺混过程对火焰传播及燃烧特性的影响。研究表明,在煤油单独燃烧阶段,煤油主要分布在燃烧室上游。OH基受燃料分布的影响,在燃烧室内重复性地聚集和扩散,呈现破裂带状。动态模态分解结果表明,煤油掺混过程对燃烧振荡存在影响。

冲压发动机燃烧引起激波运动过程一维分析

分析了冲压发动机喷油燃烧引起内流道内正激波运动的机理,采用一维激波捕捉方法,建立了燃油喷入对正激波运动位置影响的一维仿真模型。通过仿真发现:喷入燃油并逐步增大燃油-空气当量比时,正激波逐步向上游运动;燃油-空气当量比越大,正激波越接近进气道喉道;当燃油-空气当量比增大到一定程度时,正激波距离进气道喉道最近,但并未越过喉道;进一步增大燃油-空气当量比,正激波开始向下游回退进一步分析发现:冲压发动机流道及燃烧组织匹配设计直接影响到正激波在流道内的运动位置,需要在设计中格外重视。燃油-空气当量比与激波位置的关系分析可为冲压发动机设计提供一定的理论参考。

FD-21风洞冲压发动机Ma10流场与乙烯燃烧建立过程

针对高焓激波风洞冲压发动机试验过程中流场建立与燃料点火、火焰传播、稳定之间存在强耦合以及风洞膜片烧蚀污染问题,采用壁面测压与激发态OH^(*)/CH^(*)基化学发光光谱诊断相结合的手段,探讨了长2 m、三维曲面压缩、带双侧凹腔的超燃冲压发动机在FD-21风洞Ma10模拟条件下有无乙烯燃料喷注时的流场建立过程,阐述了风洞起动过程中的膜片烧蚀干扰情况,揭示了点火、火焰稳定过程中OH^(*),CH^(*)基时空分布与壁面压力关联特征,精细化给出了冷热态发动机壁面沿程静压分布.无燃料喷注的冷态通流条件下OH^(*),CH^(*)基时空变化图像表明风洞膜片烧蚀污染主要存在于发动机流场建立初期的1 ms内.乙烯喷注时OH^(*),CH^(*)基时空变化发光图像表明发动机流场建立初期2 ms内会产生大量的自由基,之后CH^(*)基浓度下降至相机不可探测范围、OH^(*)基浓度则维持在较为平稳的水平,燃烧趋于动态稳定状态.冷热态发动机壁面沿程静压分布存在倍数差异,乙烯喷注时自喷注位置下游第一个测点开始出现压力跃升、直至尾喷管出口附近才膨胀至与冷态接近,热态壁面压力约为冷态的2倍,冷热态取样时间内的压力波动幅度近似一致、均小于10%,与冷热态压升幅度存在数量级上的差异.这些数据表明FD-21风洞可开展高超声速气流中的乙烯燃烧试验.

超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究

用非对称马赫1.98的隔离段直连实验研究了不同波形不同频率的脉动反压对隔离段内流动的影响。实验结果表明:隔离段能有效地隔离不同频率不同波形周期性反压脉动对上游进气道的影响;反压脉动以第二特征波速向上游传播,但在激波振荡区域,压力脉动主要受激波振荡的影响;厚附面层一侧的下壁面激波振荡区域内压力脉动前传时以指数规律衰减,衰减的程度随着频率和波形的改变而改变。而薄附面层的上壁面激波振荡区域内压力脉动前传时不是单调下降,而是波动的。

激波风洞超燃冲压发动机推力测量技术研究

为满足高马赫数超燃冲压发动机研制的需求,在激波风洞中开展了超燃冲压发动机推力测量技术研究工作,采用压电式推力测量天平测量了超燃冲压发动机模型上的推力。根据试验模型的受力特性进行了天平设计与校准研究,并在激波风洞中开展了验证性试验。在天平设计中,采用有限元力电耦合分析方法对天平性能进行了预估。分析结果表明:天平主分量的灵敏度可达到17.447 mV/N,一阶振动模态可达到1 022.40 Hz。在验证试验中,分别测量了超燃冲压发动机模型在喷注和不喷注燃料条件下的推力。试验结果表明:在2种试验状态下,发动机阻力差值最大约220 N,说明设计的压电式推力测量天平可分辨出不同试验条件下作用在发动机上的推力大小。

双燃式(超燃)冲压发动机中激波与边界层之间相互作用对内部流动的影响

在激波风洞中研究了激波与边界层之间相互作用对双燃式（超燃）冲压发动机进气道和燃烧室冷态内部流场的影响，实验发现在进气道中，激波与边界层之间的相互作用产生了两侧均为超声速流的滑移面。实验结果表明内涵道（亚燃室）中流动状态的变化与激波－边界层之间相互作用密切相关。

激波引燃冲压发动机一体化流场数值模拟

激波引燃冲压发动机是一种采用爆轰形式组织燃烧的吸气式高超声速飞行器动力系统。采用AUSMPW+迎风格式、氢氧7组分8步基于反应模型,在非结构网格离散域上求解二维多组分化学非平衡流Euler方程。采用发展的数值方法求解了激波引燃冲压发动机内外一体化流场,研究了台阶长度、斜劈尖角度对发动机流场结构和发动机性能参数的影响规律。计算结果表明,所发展的数值方法能用于激波引燃冲压发动机的一体化流场和性能预示计算;台阶长度和斜劈尖角度影响发动机流场结构和预混气体能量释放程度。推力和燃料比冲均随台阶长度的增大而增大,随斜劈尖角度的增大而减少。

超燃冲压发动机隔离段中激波串演化发展过程研究

隔离段内流场波系结构对超燃冲压发动机进气道的启动起着重要的作用,它是衔接进气道和燃烧室的桥梁。采用二维耦合隐式NS方程和RNGk-ε湍流模型对二维超燃冲压发动机隔离段内流场进行了数值模拟,研究了其内部激波串的演化发展过程。结果表明:出口反压的升高可使激波串沿隔离段内流道往上游移动;伴随着激波串的前移和马赫盘的出现,隔离段壁面附近涡亦成对出现;随着隔离段出口反压的逐步升高,激波串强度逐渐增强,由斜激波逐步转变为正激波串、λ正激波,直至将激波串推出隔离段,造成进气道的不启动;等直隔离段相比单壁扩张隔离段和双壁扩张隔离段,其抗反压能力更强,更能有效隔离燃烧室压力对进气道工作状态的影响。

超燃冲压发动机隔离段内附面层/激波串相互干扰研究

隔离段内激波串的产生和发展以及激波/附面层相互干扰现象是极为复杂的,有效地进行激波串的组织是研究隔离段的关键所在,而其性能的好坏直接影响着超燃冲压发动机的性能。采用数值模拟的方法对不同来流附面层厚度工况的二维轴对称隔离段内流场流动特性进行了数值计算,分析了附面层/激波相互作用机理和附面层对隔离段激波串及隔离段性能的影响。结构表明:压缩-膨胀-再压缩-再膨胀……的气流流动挤压过程导致激波串的形成,逆压梯度的存在构成了附面层分离;附面层厚度的增加影响着激波串起始位置和结构;随着附面层厚度的增加,出口总压恢复系数和质量平均马赫数降低,且随着反压增大,变化趋势趋于明显。

雷诺数对超燃冲压发动机隔离段内激波串的影响

雷诺数是超燃冲压发动机隔离段内激波串的重要影响因素之一。采用数值模拟的方法对不同来流雷诺数条件下的二维隔离段内流场特征进行计算,分析了来流雷诺数对隔离段内激波串起始位置和结构的影响。结果表明:在高马赫数来流时,雷诺数对激波串有一定的影响,但不明显;在适当马赫数(Ma=1.8-2)时,激波串起始位置与雷诺数呈线性关系;在低马赫数来流时,雷诺数对激波串的影响消失。

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,初步获得了高马赫数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%。

激波风洞超燃冲压发动机推阻测量技术

面向高马赫数超燃冲压发动机推阻性能测量需求,基于FD-21高焓激波风洞,建立了基于自由飞原理的发动机模型推阻测量技术,创新引用了电永磁铁悬挂释放技术与高精度时序控制技术。设计了梯形多孔圆形阵列标记板,使用基于圆形特征阵列标记与图像识别技术的模型典型特征追踪方法,并对位移原始数据进行最近邻离群点剔除,用二阶中心差分求取模型加速度并进行傅里叶频谱分析,通过巴特沃斯低通滤波方法去除微分运算引入的高频噪声。进行了发动机模型自由落体运动试验和通流试验,探讨了自由飞测力技术的数据处理方法,获得了发动机模型的受力数据,给出了测量技术的精准度。在自由落体运动试验中,获得的加速度与当地标准重力加速度值偏差约为±2%。在FD-21风洞名义马赫数10模拟条件下进行了两次冲压发动机通流试验,获得的水平方向加速度相对偏差为2.32%,竖直方向加速度的相对偏差为7.44%。

JF12激波风洞高Mach数超燃冲压发动机实验研究

针对高Mach数(Ma≥7)超燃冲压发动机高气动阻力下的燃烧组织问题,提出一种双突扩燃烧室结构方案.使用数值模拟方法考察了射流与双突扩燃烧室组合方式的混合燃烧特性.设计了双突扩超燃冲压发动机模型,在力学研究所JF12长试验时间激波风洞内,开展了Ma=7.0和Ma=9.5的氢燃料点火和燃烧试验对比.在风洞有效试验时间100 ms内,实现了Ma=7.0和Ma=9.5超燃冲压发动机的成功点火与稳定燃烧.在Ma=7.0情况下,进气道采用三维压缩,燃烧室入口设计Mach数Ma c=2.5,壁面压力分布实验结果显示燃烧放热靠近燃烧室扩张段上游;在Ma=9.5情况下,进气道采用二维压缩,燃烧室入口设计Mach数Ma c=3.5,由于燃烧室流动速度特别高,燃烧放热靠近燃烧室扩张段下游.

超燃冲压发动机燃料混合增强技术研究进展

随着超燃冲压发动机技术的发展,发动机燃烧室内燃料的高效混合与燃烧技术成为了研究热点。由于在高马赫数飞行条件下,燃料在燃烧室内驻留时间极短,而混合过程对燃料和来流的热释放具有重要影响,因此需要一种具有高混合效率的燃料喷注方案,国内外学者对此提出了多种混合增强技术。本文对壁面横向射流、凹腔、激波/剪切层干扰以及波形壁混合增强方法的研究进展进行了综述,梳理总结了各类方法的混合增强机理与主要特点,并提出对混合增强技术未来研究方向的展望。

一种新概念高超声速推进方案——激波引燃冲压发动机

在超燃冲压发动机的研究工作不断向前推进的同时,其固有的一些缺点也在一定程度上影响了该类发动机的发展,激波引燃冲压发动机刚好可以弥补这些不足。首先介绍了激波引燃冲压发动机的结构特点及其工作原理,然后结合研究中会遇到的问题,具体介绍了美国和加拿大的两家机构的研究情况,最后指出激波引燃冲压发动机将是一种很有发展前途的新型高超声速推进方案。

带支板超燃冲压发动机燃烧流动过程试验研究

利用高速摄影对激波诱导点火及流场内部的燃烧流动过程进行了观测,对不同时刻的流场火焰分布进行了比较分析,结果表明:支板和斜坡所产生的激波能够诱导氢气自燃,增强局部的燃烧效率,当其持续存在时,还可稳定氢气的燃烧。诱导氢气与煤油共同燃烧时,燃烧室内发生了热力壅塞,此时煤油的穿透度大幅度提高,火焰分布范围更广,稳定火焰的难度降低,支板与斜坡所引起的阻力也随之减小。

煤油/空气脉冲爆震发动机激波反射起爆研究

为了研究煤油/空气脉冲爆震发动机爆震室内激波遇到障碍物发生反射促使PDE通常完成爆燃向爆震转变的起爆技术,设计加工了环型孔板和双半V型楔面体,并安装在内径100 mm的爆震管内,进行了多循环爆震试验,成功实现了煤油/空气脉冲爆震发动机工作频率30 Hz稳定工作,获得稳定传播的爆震波．研究结果表明：在爆震室内安装合理结构的障碍物能够有效提高激波反射,缩短爆燃向爆震转变的距离(时间),成功获得稳定传播的爆震波．研究结果为优化设计煤油/空气脉冲爆震发动机原理样机提供了初步理论基础．