碳氫燃料超聲速燃燒室火焰穩定機理實驗研究

《碳氫燃料超聲速燃燒室火焰穩定機理實驗研究》是依託中國科學院力學研究所，由范學軍擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：碳氫燃料超聲速燃燒室火焰穩定機理實驗研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：范學軍
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

隨著超燃衝壓發動機從實驗室研究走向工程研製階段，實際飛行條件下發動機工作的穩定性成為迫切需要解決的問題，而燃燒室火焰穩定機理、規律與控制方法等研究是其中的關鍵問題之一。本項目採用長時間超燃實驗台與先進的光學測量手段，結合數值模擬，系統研究超聲速流場中火焰的傳播過程與火焰穩定模式，探索火焰穩定機理及其影響因素，發展火焰穩定性分析的理論模型；針對各種來流與燃料條件，開展凹腔等火焰穩定器的流動特性、貧富油極限規律、阻力和總壓損失等方面的基礎研究；依據火焰穩定原理，研究拓展燃燒穩定性範圍的新方法與新技術；並初步開展變工況條件下超聲速燃燒穩定性的研究。這將為超燃衝壓發動機的工程設計提供理論依據與關鍵實驗數據。

結題摘要

本項目通過實驗和數值計算研究了碳氫燃料超聲速燃燒室火焰穩定機理。自主開發了高頻脈衝紋影技術，高頻脈衝紋影和平面雷射誘導螢光或碳氫自由基自發輻射同步測量技術，使用這些技術成功獲得了碳氫燃料超聲速燃燒同一瞬態時清楚的流場和火焰結構，解析了超聲速燃燒火焰動態傳播過程，認識了不同穩焰模式下流場和燃燒區特點，發現了火焰在凹腔穩焰與射流尾跡穩焰兩種模態之間振盪與燃料噴注處氣動喉道形成與演變有密切關係。首次系統性獲得了多種參數（如來流總溫、總壓、馬赫數，燃料噴注位置，燃燒室構型等）對碳氫燃料超聲速燃燒熄火極限的影響規律，掌握了碳氫燃料火焰穩定極限的特點，並基於對規律和特點的認識，提出了兼顧推力性能、火焰穩定性、燃燒室不起動和釋熱分布的組織燃燒策略，以及一種錯位雙凹腔新型燃燒室構型，使燃燒室整體性能得到了提高。提出局部補氧拓展燃燒穩定極限的新方法，極大地提高了火焰穩定性，還發現在連續穩定燃燒極限範圍以外存在超聲速脈衝燃燒現象，可以產生脈衝式推力。在數值研究方法方面，首次針對碳氫燃料超聲速燃燒自主開發了大渦/雷諾平均數值模擬平台，其中使用部分攪拌模型解決了流動和燃燒相互作用難題，使用簡化機理（如39物種及153反應的煤油簡化機理）解決了由於化學反應機理所引起的不準確問題；還通過與實驗燃燒靜壓對比驗證了模擬結果。在燃氣射流摻混方面，首次解析了欠膨脹射流K-H波系的實際分布特徵和噴口精細結構，首次採用螺旋性的概念揭示了射流剪下層的大尺度螺旋性結構及其特點，詮釋了流動失穩過程並發現渦拉伸是導致失穩的主要因素。相關研究成果已被成功用於超燃衝壓發動機燃燒室的設計。