超燃衝壓發動機凹腔火焰穩定器多孔發汗冷卻機理研究

《超燃衝壓發動機凹腔火焰穩定器多孔發汗冷卻機理研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由丁猛擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：超燃衝壓發動機凹腔火焰穩定器多孔發汗冷卻機理研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：丁猛
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

以未來高超聲速推進系統套用為背景，開展超燃衝壓發動機凹腔火焰穩定器多孔發汗冷卻機理的深入研究。利用NPLS、PIV、高速雷射紋影與PLIF等實驗手段，結合高精度大渦模擬與傳熱相關理論分析，研究多孔發汗流對超聲速附面層流態、湍流大尺度結構的作用機理，分析附面層熱傳導、對流傳熱特性；研究多孔發汗流與附面層分離流的相互作用，明確多孔發汗流對附面層分離與再附特性的影響；研究當發汗冷卻介質在附面層內燃燒時附面層的燃燒流動特徵，分析其傳熱模式與特性，並建立物理模型，分析多孔發汗對凹腔流場和穩焰性能的影響。該項研究將增進對含多孔發汗流的附面層熱傳導、附面層對流傳熱、附面層剪下摩擦釋熱、附面層內燃燒釋熱等多種傳熱過程與機理的理解，為超燃衝壓發動機熱防護設計提供理論指導。

結題摘要

本項目以凹腔火焰穩定器發汗冷卻為研究對象，開展了凹腔超聲速燃燒、發汗冷卻流動、發汗冷卻對凹腔燃燒和穩焰影響的試驗和仿真研究。 開展了凹腔超聲速燃燒流動特性的試驗與數值仿真研究，在直連式試驗中通過測量火焰分布、PLIF和紋影等技術，獲得了凹腔燃燒與流動的特徵，並對凹腔的火焰穩定機理進行了分析，發現火焰始終駐留在凹腔後壁區域，凹腔內大尺度回流將火焰由後向前運輸到前壁區域。並且完成了凹腔燃燒及壁面溫度場的分析，確定了後緣是凹腔熱負荷最嚴重的區域。針對凹腔後緣提出了局部發汗冷卻方案，並進行了仿真分析，對比了氮氣和煤油兩種冷卻介質，結果表明由於相變吸熱，煤油做發汗冷卻劑能夠有效的降低凹腔壁溫。 開展了多孔發汗流對超聲速附面層的影響研究。在超聲速靜風洞中，完成了平板多孔發汗流動特性試驗，分別在超聲速層流邊界層和湍流邊界層來流情況下，測試了氣體多孔發汗對邊界層的影響，並對比了不同的發汗氣體總壓。採用NPLS系統獲得了流場的精細速度場圖像，結果表明壁面多孔發汗流加速了超聲速層流邊界層的轉捩，也會加速湍流邊界層增厚，增強了氣流與壁面間的對流換熱。 開展了多孔發汗對凹腔流場和穩焰性能影響的試驗研究。基於對凹腔超聲速燃燒與壁面溫度場的研究結果，在凹腔後緣壁面布置了發汗冷卻孔。在超聲速燃燒直連式試驗中，採用煤油作為發汗冷卻介質，獲得了發汗冷卻對凹腔超聲速燃燒影響的火焰分布高速攝影圖像，並對比了不同的煤油壓力。試驗結果表明後緣發汗冷卻導致凹腔內的火焰結構發生了顯著變化，破壞了凹腔內大尺度回流結構，改變了凹腔的火焰穩定機制。發汗出的煤油卷出凹腔後，在凹腔下游貼壁燃燒，也影響了主流區的燃燒與流動。