高马赫数超燃冲压发动机性能数值研究

考虑水平起降要求,构造了一种采用流线追踪内转式进气道、圆形截面燃烧室的双侧布局高马赫数超燃冲压发动机,设计点马赫数为7。对Ma 7~10范围内的发动机性能进行了数值模拟,给出了发动机进气道性能、整机性能,对燃烧室内的燃料掺混和燃烧情况进行了分析。此外,采用一维性能计算方法对燃烧室性能进行了预估。研究表明,此发动机性能可满足飞行器推阻匹配需求;一维性能结果与三维数值模拟的压力分布处于15%的误差范围内,可用于发动机性能的快速预估。

提高高马赫数超燃冲压发动机推力的理论方法

斜爆轰发动机和激波诱导燃烧冲压发动机在高马赫数吸气式发动机中具有重要应用前景,但是斜爆轰发动机是否具有足够大的净推力,还是一个未知的问题,因此需要对高马赫数冲压发动机的推进性能以及提高推力的方法进行理论研究.本文主要分为3部分.第1部分理论研究了超燃冲压发动机中的爆燃波和爆轰波的传播特性.保证发动机稳定燃烧是提高推力的前提.通过对爆燃波和爆轰波传播特性研究,得到了影响发动机燃烧稳定性的关键参数和物理规律.第2部分研究了发动机处于热壅塞临界状态下的燃烧规律和推力特性.在临界状态下,燃烧室入口气流速度正好等于爆轰波传播速度,二者处于平衡状态,这是发动机推进性能的理论上限.第3部分研究了提高高马赫数超燃冲压发动机推力的理论方法.对于高马赫数冲压发动机,燃烧室入口气流速度远远大于爆轰波的传播速度,这部分速度差就是提高推力的理论空间.对于马赫数Ma≥12的超燃冲压发动机,理论上燃烧产生的爆燃波或激波不会引起发动机不起动,因此可以通过进一步添加燃料和氧化剂的方法来提高其推力.理论分析结果表明,对于高马赫数超燃冲压发动机,不但燃烧流场是容易稳定的,而且可以有很多方法来进一步提高推力.

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,分别包括高焓离解与热化学非平衡效应、超高速气流燃料增混与燃烧强化技术、高超声速燃烧与进气压缩的匹配及工作模态、高焓低雷诺数边界层流动及其控制方法、高焓低密度流动/燃烧的热防护技术,以及高马赫数发动机的地面试验风洞技术.然后,进一步介绍了国内外高焓激波风洞与驱动技术以及国内外典型的地面和飞行试验进展.进而针对推进和热防护的总体性能评估、高马赫数发动机内凸显的高焓离解与热化学非平衡效应、超高速气流燃料增混和燃烧强化技术综述了相关研究进展及结论,讨论了高马赫数超燃冲压发动机的可行性以及各关键技术的特点.最后进行了总结并对后续研究提出了几点建议.

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。

高马赫数来流超燃冲压发动机燃烧流场分析

以模拟自由来流马赫数12的地面试验氢燃料超燃冲压发动机为研究对象,应用商用计算流体力学软件CFD++;针对高马赫数来流下的超燃冲压发动机的典型流场结构、空间释热分布、预混/非预混燃烧模式和火焰稳定机理开展了分析研究。计算中采用7组分、9反应步的氢气/氧气动力学模型,使用壁面函数结合两方程剪应力输运模型,基于雷诺时均化方法开展计算,数值结果与试验数据相符较好。1)验证了CFD++软件在高马赫数来流下的适用性和计算精度;2)分析了高超声速来流下的燃烧室流场特征;3)获得了高马赫来流条件下的发动机燃烧效率、释热区间、预混/非预混燃烧模式的空间分布规律;4)为进一步开展高马赫数下的发动机精细化流场计算和多尺度燃烧过程研究提供了重要依据。

高马赫数飞行条件下超燃冲压发动机燃烧组织方案数值模拟

针对高马赫数飞行条件下(Ma=8,其中燃烧室内流马赫数为3.88)超燃冲压发动机燃烧组织方案的优化问题,采用三维可压缩雷诺平均(RANS)数值模拟方法对采用不同燃料喷射角度和凹腔后倾角的燃烧方案进行了数值模拟研究。结果表明:高马赫数下燃烧主要集中在凹腔和燃烧室近壁区,随着燃料喷射角度的增大,燃烧反应更加剧烈;增大燃料喷射角度和减小凹腔后倾角能提高混合效率,从而提高燃烧效率,燃烧也更充分,但是燃烧引起的总压损失也会相应地提高;高马赫数条件下发动机内流阻力很大,大约是发动机净推力的7~8倍,而增大喷射角度和减小凹腔后倾角有利于提高发动机的推力性能,其中采用135°的逆向燃料喷入方案获得的正推力最大,此时燃烧位置相对靠前,有利于燃烧室设计尺寸的小型化。

基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型

针对目前常用的基于微分方程的超燃冲压发动机性能计算模型的不足,提出了基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型。将基于控制体法的0D积分形式的守恒方程(流量连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程)和化学动力学模型相结合,辅以临界流量法,应用于隔离段和燃烧室的1D流场计算,实现了双模态超燃冲压发动机各种模态的隔离段和燃烧室的流量平衡计算,可以捕捉到热力学喉道,确定了隔离段流动状态和燃烧室的工作模态,进而实现超燃冲压发动机全飞行包线内和全工况下的特性计算。计算结果表明,基于集总参数方程的计算模型不但能够克服基于微分方程的计算模型的缺点,而且还具有计算精度高、计算速度快、收敛性好等优点,为超燃冲压发动机总体性能计算和方案设计提供了一种很好的参考。

超燃冲压模型发动机实验设备与实验技术

超燃冲压发动机是高超声速飞行器的先进的动力系统,在基础研究和工程应用方面都具有重大意义.其实验设备的建设与实验技术的积累是一个国家在航空航天领域综合实力的体现.本文综述了国外超燃冲压发动机地面实验设备的发展情况,介绍了我国用于超燃冲压模型发动机实验的高超声速推进实验装置及其关键组成部分的设计思想、研制方法和调试结果.马赫数5.8,总压5MPa,总温2000K,总流量4.5 kg/s的设备运行参数为超燃冲压模型发动机的研究提供了必要的实验条件.

双模态超燃冲压发动机点火方案对比试验

在来流马赫数2、总温840K的双模态超燃冲压发动机扩张型燃烧室的冷启动工况下,对凹腔上游的煤油横向射流喷雾的三种点火方案(热射流点火、乙烯引导点火、凹腔内局部补氧点火)进行了试验对比研究。采用高速相机拍摄了不同点火方式下的初始火焰生成和发展过程,对比分析了各种点火方案的点火接力过程和压力响应特点。试验研究表明,热射流火焰和喷雾下游掺混燃烧后通过火焰逆传形成凹腔驻留火焰,室压受热射流供应及其与喷雾作用的非定常特性的影响较大;乙烯引导点火受乙烯燃烧强度的影响,在研究的参数范围内,由于生成的乙烯火焰较弱,易被煤油喷雾浇熄,旨在凹腔内形成接力火焰的点火方法未能实现乙烯引导的成功点火;在凹腔内局部补氧能够改善煤油喷雾的点火性能,点火接力过程过渡平稳。

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。

MHD能量旁路超燃冲压发动机可行性分析

使用准一维模型对磁流体能量旁路超燃冲压发动机MPCE(Magneto-Plasma-Chem ical Engine)进行了性能计算.考察了理想和非理想的超燃冲压发动机应用磁流体MHD(magnetohydrodynam ics)能量旁路的效果,对于理想的超燃冲压发动机应用MHD反而会使发动机的性能降低;对于非理想的超燃冲压发动机,MHD的作用使发动机的比冲增加.考虑发动机工作的工程限制条件对超燃冲压发动机和MPCE的性能进行了比较,结果表明应用MHD可以扩大超燃冲压发动机的工作范围,在非设计马赫数下提高发动机的性能.计算了负载系数、通道压力系数等重要的设计参数对MPCE性能的影响,结果显示优化参数设置可以使发动机比冲增加,但是同时又会受到工程条件的限制.

双模态超燃冲压发动机研究进展

通过对各种发动机性能的对比分析 ,认为双模态超燃冲压发动机非常适合作为高超声速飞行器的动力推进装置。

等直段直径对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

为了研究燃烧室内等直段直径的尺寸对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能及流场特性的影响,基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,对不同等直段直径燃烧室工作过程进行数值模拟。采用基于压力的二阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation),湍流模型采用SST k-ω模型。PMMA燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分析不同等直段直径下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化。数值模拟结果显示:随着等直段直径的增大,燃烧室可由壅塞状态转变为超声速流动状态,增大至某一数值(约为16.5mm)附近时,燃烧室出口可以达到完全膨胀状态。同时,燃烧室的燃烧效率逐渐增大,出口处燃烧效率由62.45%增大至72.74%。总压损失也逐渐增大,出口处最大值可达52%,而燃烧室推力逐渐减小。

基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。

凹腔结构对圆形超燃冲压发动机燃烧室阻力特性影响

凹腔作为促进燃烧室中燃料与来流混合和稳定燃烧的有效手段之一,其研究已引起人们的广泛关注。采用数值模拟方法,探索了圆形超燃冲压发动机燃烧室阻力特性随凹腔结构参数的变化趋势,同时初步考察了飞行攻角对凹腔阻力特性的影响。研究发现,凹腔摩阻相比压阻很小,凹腔对燃烧室的阻力特性主要体现在其压阻上;随着后掠角的增大,热试和冷流状态下的凹腔阻力均呈现逐渐减小的趋势;随着长深比的增大,热试状态下的凹腔阻力先增加后减小,而冷流状态下的凹腔阻力则单调递减;在小攻角（-3°~3°）热试状态下,燃烧室凹腔阻力明显强于冷流状态下凹腔阻力。这对圆形超燃冲压发动机燃烧室的设计工作具有一定的指导和借鉴意义。

超燃冲压发动机技术

超燃冲压发动机是研究对应飞行马赫数大于 6、以超声速燃烧为核心的冲压发动机技术。它的应用背景是高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等。半个世纪以来 ,它的研究受到了美、俄、法等国的重视。目前 ,超燃冲压发动机技术已经开始进行飞行演示验证。 2 1世纪 ,超燃冲压发动机技术必将得到较快发展和实际应用 ,必定会对未来的军事、政治。

高马赫数涡轮发动机性能模拟

对马赫数4.0一级的高马赫数涡轮发动机进行了研究,分析了高马赫数涡轮发动机的结构形式和工作原理,建立了性能计算模型。利用泵理论拓展了发动机的低转速部件特性,对某高马赫数涡轮发动机方案进行了性能计算,并分析了其风车冲压模态的性能变化趋势。计算结果表明,该发动机在马赫数3.7时进入风车冲压模态;由于主燃烧室熄火,其推力在模态转换阶段将出现暂时震荡,比冲将在模态转换点达到最低值。

双燃料超燃冲压发动机方案性能初步分析

提出了双燃料超燃冲压发动机方案,以航程为高超声速巡航飞行器性能目标,建立了双燃料超燃冲压发动机的性能分析模型,得到了超燃冲压发动机燃料类型的选择准则。选择液氢和碳氢作为候选燃料,分析了不同性质的碳氢燃料对超燃冲压发动机的燃料类型选择的影响,结果表明双燃料超燃冲压发动机的优化工作范围远大于单燃料超燃冲压发动机的优化工作范围,适当选择双燃料超燃冲压发动机方案能够提高高超声速巡航飞行器性能。计算了获取相同航程时,双燃料与单燃料超燃冲压发动机所需的储箱容积。结果表明,双燃料冲压发动机具有明显的降低所需储箱容积的潜力。

双模态超燃冲压发动机最大供油模态计算方法研究

为了获得不同飞行状态下双模态超燃冲压发动机最大供油状态,在集总参数方程的双模态超燃冲压发动机性能计算模型基础上,通过分析双模态超燃冲压发动机堵塞边界条件及工作机理,发展了最大供油模态流量平衡的求解方法,并以此为基础建立了双模态超燃冲压发动机最大供油模态计算模型。给出某飞行条件下的最大供油模态迭代计算过程,并详细描述了其所表征的物理现象,其流量平衡计算精度达10^(-4),并在此基础上完成了不同飞行马赫数下的最大供油模态计算,获得相应的燃烧室最大供油量及隔离段/燃烧室沿程参数分布。结果表明,该计算方法可实现双模态超燃冲压发动机最大供油模态的流量平衡计算,并能精确地捕捉给定燃油分配形式下的燃烧室最大供油量。

双模态超燃冲压发动机隔离段流场分析

隔离段作为双模态超燃冲压发动机的重要部件,除了可以隔离进气道和燃烧室的相互干扰外,还在超燃冲压发动机模态转换中扮演着重要的角色。隔离段内的流动过程是一系列激波与附面层相互作用的过程,一般存在激波串。本文分析了隔离段内部流场激波与附面层的相互干扰现象。