燃燒加熱風洞污染問題的水蒸氣跟蹤測量研究

《燃燒加熱風洞污染問題的水蒸氣跟蹤測量研究》是依託中國科學技術大學，由金熠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：燃燒加熱風洞污染問題的水蒸氣跟蹤測量研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：金熠
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

在高超聲速地面模擬試驗中，燃燒加熱風洞受到廣泛套用。這種加熱方法在具有加熱功率大，投資和運行成本相對低廉等明顯優勢的同時，也不可避免地產生有別於空氣的成分，即試驗氣流中存在污染組分（如水蒸氣等），污染組分將會在試驗過程中施加額外影響，使得地面試驗結果偏離實際情況。本項目採用在激波風洞中添加污染物的方法產生污染來流條件，進行不同污染組分含量影響的對比實驗。以近紅外可調諧半導體雷射器吸收光譜測量系統（TDLAS）結合壁壓、紋影以及雷射誘導螢光等方法為診斷手段，以水蒸氣在風洞噴管及試驗模型（如超燃衝壓發動機燃燒室模型）流動過程中的跟蹤測量為突破點，關注多流場參數如水蒸氣含量、溫度的空間分布和演變過程, 分析和研究污染組分、含量與高速試驗氣流參數、超聲速可燃流場點火及燃燒特性之間的關係，在污染影響的機理、規律和定量化方面獲得新的認識，同時在多種測量手段間的相互關聯和挖掘診斷潛力方面進行有益探索。

結題摘要

為了考察燃燒加熱風洞污染問題可能對地面試驗結果帶來的影響，本項目採用在激波風洞中添加污染物的方法產生污染來流條件，進行不同污染組分含量影響的對比實驗。主要利用近紅外可調諧半導體雷射器吸收光譜測量系統（TDLAS）對風洞噴管、超燃衝壓發動機燃燒室模型以及簡單斜劈模型的流場參數（溫度、組分含量及速度等）進行跟蹤測量，分析和研究污染影響的機理和規律。實驗結果顯示無論對風洞噴管還是模型流場，相同總溫總壓及同一噴管的前提下，污染組分水蒸氣含量多少對流場參數的影響並不明顯，水蒸氣的相變現象更值得關注；污染組分二氧化碳含量的多少對流場馬赫數影響也不明顯，它對模型流場溫度的影響程度不僅與污染氣體組分含量有關，而且與模型構型對來流的壓縮程度以及來流自身的熱力學參數狀態都有密切的關係。對於壓縮量不大的飛行器構型和來流靜溫不高的風洞試驗來說，不同含量的二氧化碳污染組分對流場靜溫影響不明顯；但隨著來流靜溫的提高或模型壓縮量的增加，一旦二者的共同作用使得壓縮後溫升達到一定程度後，則污染效應開始顯露。這種污染效應主要應歸咎於污染組分熱力特性與空氣的顯著差異。在水蒸氣凝結方面，探索性的開展了不同來流條件下的風洞噴管出口靜溫測量，測量結果顯示在一定來流條件下流場靜溫比預期明顯偏高，這可能是水蒸氣凝結帶來的影響。項目執行中實現了來流中水蒸氣組分含量連續調節的試驗方法，發展了高超聲速流場中的吸收光譜一維測量（直接掃描和波長調製）和二維層析技術，基於這些實驗方法和技術獲取的實驗結果對污染問題的理解和分析具有實驗性的指導意義。