超聲速燃燒、流動與傳熱過程集成研究

《超聲速燃燒、流動與傳熱過程集成研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由劉衛東擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：超聲速燃燒、流動與傳熱過程集成研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：劉衛東
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

為實現近空間飛行器的關鍵基礎科學問題重大研究計畫的預期目標，達到集成升華、跨越發展的目的，本項目擬在前期研究基礎上，聯合國內多家優勢單位，針對進氣道流動/燃燒室燃燒相互作用、燃燒/傳熱過程的相互作用以及燃燒過程控制開展研究，以考察進氣道與燃燒室、燃燒室與熱防護方案之間的匹配特性，考察進氣道流動渦、激波系以及非均勻性與燃燒室點火、燃燒過程的相互作用機理，及燃燒與主動冷卻傳熱過程的相互作用機理，及燃燒過程的最佳化控制方法以及規律；探索綜合考慮熱防護、高效燃燒等多因素的燃燒室最佳化設計方法，獲取各部件間耦合機理與規律。研究成果將對多學科交叉研究的發展具有重要促進作用，且能為超燃衝壓發動機的最佳化設計提供理論依據。

結題摘要

本項目針對進氣道流動/燃燒室燃燒相互作用、燃燒/傳熱過程的相互作用以及燃燒過程控制開展了相關研究，研究成果可為超燃衝壓發動機的最佳化設計提供依據。 採用直接數值模擬（DNS）研究了湍流邊界層及不同強度入射激波作用下的SWBLI流場，確認了流場多尺度特徵，發現分離區存在大尺度對流結構。通過LES研究了不同展向尺度下SWBLI流場特徵，發現側壁附近形成的後掠SWBLI是入射SWBLI時均三維結構的主要成因，基於此建立了相應的流場結構分析模型。 研究了穩態反壓作用下進氣道流場的自激振盪和動態反壓作用下的受迫振盪機理，結合快速傅立葉變換分析了反壓作用下進氣道-隔離段內部激波串非定常振盪的頻譜特性，獲得了激波串前緣激波位置與壁面靜壓時變關係的關聯性，提出了前緣激波探測的三個原則。開展了風洞試驗，獲得了不同反壓、不同壁溫下進氣道激波串特性，通過試驗驗證了計算結果。 針對超燃衝壓發動機冷卻通道流動換熱模擬需求，從理論和實驗兩個角度分別構建了碳氫燃料裂解反應機理，開展了相應數值模擬，揭示了裂解態燃料傳熱特性，初步解析了燃料裂解、流動和傳熱耦合的機制。另外還開展了燃料高溫熱物性線上測量，包含熱沉、密度、流速和組成，測量參數滿足發動機冷卻結構設計需求。 分析了超燃衝壓發動機熱力流道的熱防護要求，總結了基於C/SiC複合材料的熱防護技術研究現狀，提出了研究方案及需要重點關注的問題。在此基礎上，製備出基於複合材料的三種再生冷卻結構和兩種發汗冷卻結構，並對發汗冷卻結構進行了初步試驗，展現出較好的冷卻效果。 開展了超聲速氣流中液體煤油直接點火研究，總結了煤油點火強化方案；分析了超聲速燃燒火焰分布及傳播特性，開展了發動機性能最佳化，發現乙烯等氣態小分子碳氫化合物的燃燒性能比煤油強，煤油加熱後將裂解產生這些氣態小分子碳氫化合物，有利於提高煤油的燃燒效率和發動機推力。提出了超燃衝壓發動機推力調節/進氣道保護雙迴路切換控制方案，可有效解決發動機單迴路控制快速性和安全性二者不能兼顧的問題，並利用地面試驗平台模擬發動機加減速過程對切換控制方案和控制策略進行了驗證。