基于斜坡和波纹壁的超声速混合增强技术研究进展

随着超燃冲压发动机技术的飞速发展,对在燃烧室内驻留时间极短的燃料射流与超声速空气来流的充分掺混与高效燃烧的要求越来越高,为解决上述问题,需要研究出一套稳定、高效的喷注方案,因此,超声速燃料的混合增强策略逐渐成为国内外航空航天学者的研究热点。混合增强方法按照机理分为被动混合增强和主动混合增强。本文主要针对被动混合增强方法中的斜坡和波纹壁激波发生器,分别梳理总结了其促进混合增强的原理和特点,并对斜坡和波纹壁组合混合增强技术的研究进展进行了概述,最后对各种混合增强方式的未来发展趋势进行了展望。     

超声速气流中的典型混合增强方法

超燃冲压发动机指空气以超声速进入燃烧室并与燃料进行混合和燃烧,但是在来流速度如此快的条件下,要实现燃料与空气的充分混合与稳定燃烧是很困难的,而稳定燃烧的先前条件是燃料与空气的充分混合。因此,增强混合的研究对超燃冲压发动机的发展起着重要的作用。国内外众多学者不断研究并提出混合增强方法来解决燃料与空气充分混合的问题,本文主要对混合增强方法中的横向射流、脉冲射流以及凹腔的研究进展进行总结与归纳,并对未来的发展提出展望。     

超燃冲压发动机混合增强技术

选择性的回顾了超燃冲压发动机中用于增强燃料与氧化荆的混合效率以提高燃烧效率的各种方法,重点介绍了各种混合增强技术的原理和特点,深入分析了超燃冲压发动机燃料喷注系统的设计思路,以便更好的研究和应用各种混合增强技术。     

进气形式对冲压发动机二次燃烧的影响

为增强冲压发动机补燃室内燃料与空气的掺混效果,提高二次燃烧效率,采用RNGk-ε湍流模型和单步快速化学反应,通过非结构网格上的SIMPLE算法,对不同进气形式的冲压发动机二次燃烧流场进行了数值模拟,获得了流场参数分布。研究表明采用一次进气方式和增加两进气道间夹角的方法均可增强燃料与空气在补燃室内的掺混效果,二次进气方式有利于补燃室的热防护。研究结果为冲压发动机的设计提供了一定参考。     

用于混合冲压发动机的固体燃料燃烧特性

使用固体燃料和液体燃料两种燃料的混合冲压发动机, 可望兼具固体燃料冲压发动机2次燃烧点火性/燃烧稳定性良好的特征和液体燃料冲压发动机比冲(Isp)性能高、 流量控制范围大的特征.针对混合冲压发动机用固体燃料, 试制了在适用的物质中添加硼(B)的固体燃料, 使用小型冲压发动机实施了仅用固体燃料状态的燃烧试验.试验结果显示, 1次燃烧特性和2次燃烧点火性能良好, 并利用改变空气导入方法提高了2次燃烧效率.     

混合冲压发动机的理论性能探讨

提出了可充分利用比冲性能高、燃料流量控制范围广和燃烧稳定性良好等优点的液体燃料冲压发动机与管道火箭组合的混合冲压发动机方案。探讨了其理论性能,证明了其可行性。     

硼在几种空气增力喷气发动机中的应用前景和存在的问题

本文结合三种冲压式发动机讨论了采用硼作燃料的优点、实际问题和性能,研究表明,与碳氧燃料相比,采用硼作燃料,理论上有显著的性能增益。但是,由于硼的点火温度高(1900K)和燃烧性能差,因此,要想得到高的燃烧效率,就必须对燃烧室系统采取一些专门措施。含硼量高的固体燃料和推进剂会因燃烧不均匀而引起推车发生变化,同时,由于硼粒子的烧结块在燃烧室内得不到充分的停留时间,也会使燃烧不完全。     

超燃冲压发动机燃烧室内的煤油燃烧特性

为探讨超燃冲压发动机的稳定燃烧问题,以煤油作燃料,利用单独喷射煤油、两相喷射煤油与氮气和将煤油气化后喷射的三种喷射方法,研究了煤油在超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧特性.最后,介绍了试验方法及其结果.     

液体煤油双模态燃烧的点火及燃烧稳定问题初步研究

利用电弧风洞,对液体煤油的双模态燃烧进行了研究,煤油燃料的点火与燃烧稳定问题得到初步解决,为进一步研究高超声波冲压发动机技术 提供了重要参考。     

固体燃料冲压发动机燃料燃速与推力调节

为了确定进气涡流和二次气体喷射能否有效地用于固体燃料冲压发动机燃料燃速的控制和推力调节,曾进行了一项实验研究.进气涡流的特性是在无反应流中测量的.试验是用当量比为0.5～1.8之间的三种燃料成分在高、低空气质量流量下进行的.发现,在进气道下游引入涡流对实现燃料燃速的有限增长会产生影响,但影响的幅度与发动机的几何尺寸有很大关系.涡流与再附着进气道气流和大大增强的近壁混合之间的相互作用对有效燃烧不利.高能气体燃料(H_2,C_2H_4)可以很容易地喷入,并在贫油条件下有效地燃烧,大大提高推力.     

固体火箭冲压发动机内硼燃烧的改进

在火箭冲压发动机的吸气燃烧室内,硼粒子燃烧所产生的试验性研究问题现试图通过改进喷射装置和燃烧室设计加以解决。在这项研究过程中,硼粒子是由装填有含硼量较高的固体燃料的单独燃气发生器进行喷射。最高的燃烧效率是靠采用撞击式喷流喷射装置上加可移动的空气进口而获得,这种空气进口证明了在火箭冲压发动机内使用高硼量固体燃料的可能性。     

温度对固体燃料冲压发动机燃料性能和燃烧的影响

引言非金属燃料和含金属燃料均可用于固体燃料冲压发动机(SFRJ)。人们已研制出具有高的燃烧效率的高能含金属燃料,因为密度较高,从而可增加燃料装填量。很多燃烧研究一直使用了非金属燃料。最近,含金属燃料也很受重视。通常,含金属燃料(硼、镁、铝等等)的燃烧效率并不高,有时要用一些添加剂来提高它的性能。为了能适应实战要求,必须论证固体燃料冲压发动机在超过预定的工作温度范围时的燃料性能稳定性和燃烧特性。     

缝隙喷射的喷射角对二维超声速混合流场的影响

在很短时间(约1 ms)内使燃料与主流空气进行混合燃烧,以及控制总压损失问题,是开发超燃冲压发动机的重要课题之一.作为燃料喷射装置,提出了从燃烧室壁面设定的缝隙喷射燃料的方法.介绍了试验装置、试验方法和数值计算方法及其结果与分析等.     

固体燃料的超声速燃烧研究进展

介绍了超燃冲压发动机的用途、特点, 综述了国外固体燃料应用于超燃冲压发动机的研究成果, 总结了固体燃料的超声速燃烧得以发生和持续的条件, 通过对文献的归纳, 认为固体燃料可以进行超声速燃烧, PMMA和HTPB等燃料具有适合超声速燃烧的性能, 展望了富燃料推进剂在超燃冲压发动机中的应用前景, 对发展超燃固体富燃料推进剂提出了建议.     

固体燃料冲压发动机研究的有关问题

固体燃料冲压发动机具有结构简单、能量高、燃烧稳定、可靠性高等一系列优点。多年来的研究和飞行试验证明,在将来的战术导弹中应用具有很大的竞争力。本文介绍了固体燃料冲压发动机研制中的特殊问题,包括燃烧和流动特性、固体燃料的侵蚀速率、火焰稳定和燃烧效率、进气道与燃烧室匹配等等。结论认为这些问题均已解决,并且得到了大量的基本工程数据,达到了液体冲压发动机的技术水平。     

碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室研究

联合技术研究中心(UTRC)正在进行一项碳氢燃料超燃冲压发动机(Ma=5.6～7)技术的试验研究计划,以制订出超燃冲压发动机燃烧室设计标准。该项计划还提出了新型吸气式预燃室,对它进行了试验并且评估了其火焰稳定和火焰传播特性。试验证明,这种预燃室可以促进气态乙烯或预加热的液态JP-5(作为初级燃料喷入超音速主气流中)有效地燃烧,用这种预燃室的想法和用初级、次级燃料喷嘴分级供应燃料可使燃料在一个很宽的范围内进行有效的超音速燃烧。在气态乙烯燃料的分级喷射试验中,可以实现次级燃料高效率的燃烧,并证明在高的总当量比下,可以从完全超音速燃烧平稳地过渡到双模式(超音速/亚音速)工作状态。业已证明,这种预燃室即使在双横式工作状态的高燃烧压力下,也可以有效地将进气道与燃烧过程隔离。     

端面燃烧混合火箭发动机的基础研究--燃烧稳定性

探讨了火箭发动机技术的发展与利用固液混合火箭发动机取代固体火箭发动机的必要性与可能性.介绍了端面燃烧固液混合火箭发动机的结构特点、燃烧性能以及燃烧实验方法和结果分析等.     

金属/水反应膏体燃料冲压发动机供应系统研究

文中以建立新型超高速航行体动力能源供应系统为目的,首次提出以金属粉末膏体燃烧剂为推进剂,供应系统以挤压供应方式的构想.应用化学热力学、固体火箭发动机和液体火箭发动机原理,建立了数学模型,并对铝粉末和铝、镁粉末混合燃料的燃烧性能进行了仿真计算,计算结果表明：采用铝、镁粉末混合燃料为推进剂构成金属水反应燃料冲压发动机的能供系统方案是可行的.     

超然冲压发动机燃料喷射和混合技术

回顾了超燃冲压发动机燃烧室先进的燃料喷射和混合技术。燃料喷射方法包括燃烧室的单孔直流式喷射、与气流方向平行的缝隙式喷射以及支杆和斜坡后燃料喷射。提出了三种新的混合技术，第一种是弯曲的燃烧室产生的浮力将使燃料布满整个燃烧室；第二种是燃料脉动式喷射；第三种是支析后喷射以使燃料深深地穿透气流中去。这些新的混合技术将会提高超燃冲压发动机的性能。     

纵涡导入型超燃冲压发动机工作特性的研究--利用高温激波风洞进行Ma=8燃烧试验

装有壁面燃料喷射器的超燃冲压发动机,导入纵向旋涡,可以增进燃料和超声速气流的混合和燃烧,利用高温激波风洞(HIEST)产生高焓流模拟马赫数Ma=8的飞行条件进行试验研究,发动机和燃料喷射器完全按照在2005年由澳洲昆士兰省大学(UQ)与JAXA宇宙航空研究开发机构共同进行的飞行试验计划中的Hy-shot-4全尺寸模型制作.主要研究目的是弄清楚装有喷射器的超燃冲压发动机的工作性能.纵涡导入促进超声速混合及提高附面层控制的效果,与定常状态下无纵涡导入的平行喷射器对比,纵涡导入喷射器效果优越.超燃冲压发动机在超燃状态导入纵涡,在较短距离内产生高的压力,好于另外两种无纵涡导入的喷射器.对有纵涡导入发动机,依照燃烧室及设定的喷管,采用一元解析方法,在燃料当量比Ф=0.3、0.6时的压力积分求得比推力增量依次达到25 960N·s/kg、21 795N·s/kg;在当量比Ф=1.0、1.5时,燃烧室下游预混气燃烧剧烈,产生强压力,形成准定常燃烧状态.压力波实际上是一种爆震波,从这一向上游传播的主要路径可看出纵涡导入的作用,爆震波向上游传播时,由于纵涡干涉,传播能力削弱,而且纵涡干涉形成对附面层分离的控制作用,造成波面下游的混合燃烧量减少,使爆震波衰减,保证了燃烧流场的准定常状态.