超临界煤油超声速燃烧火焰稳定规律研究

• 作 者: 齐力
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 超声速燃烧 熄火极限 超燃冲压发动机 超临界煤油

随着超燃冲压发动机从实验室研究走向工程研制阶段，燃烧室在实际飞行条件下的稳定工作成为一个迫切需要解决的问题。煤油因为其具有很好的热沉和可操作性，被认为是主动冷却超燃冲压发动机的理想燃料，但是它的贫富油熄火极限实验数据十分缺乏，而且对于贫富油熄火极限的影响因素与规律也没有清楚的认识。因此，本文采用直联式超声速燃烧实验平台，结合高速脉冲纹影系统，对超临界煤油的稳定燃烧规律开展了实验和理论方面的研究，并初步提出了一套分析上游喷射燃烧稳定性问题的方法。　　
本文首先利用力学所直联式超声速燃烧平台，系统地研究了来流温度、来流空气速度及燃料喷注位置等因素对超临界煤油贫富油熄火极限的影响，实验发现在贫油条件下，稳燃极限当量比随来流总温的升高而升高;来流空气速度越大，稳焰范围越窄;凹腔底部后面喷油所需煤油当量比及来流总温都远大于凹腔台阶上游壁面横向喷射。同时，通过实验得到了超临界煤油的稳定燃烧范围，发现其稳燃极限分为贫油极限和富油极限两部分，这与预混的情形是一致的;但是超临界煤油的贫油极限当量比随来流总温的升高而升高，且马赫数越大，趋势越明显，这是预混模型无法解释的。针对上游垂直喷射的特点，我们从穿透深度的角度对超临界煤油的贫油极限当量比随来流总温的变化趋势给出了定性解释。　　
另外，燃料在超声速气流中混合会影响油气当量比，进而影响贫富油熄火极限，在凹腔台阶上游壁面横向喷射条件下，燃料在到达稳焰器凹腔前会与来流在一定范围和程度上混合，而穿透深度是影响这种混合的一个重要因素。我们对超声速气流中横向喷住的穿透深度进行了系统的调研与分析，发现目前已有工作对穿透深度的研究基本局限在冷流场，这是因为超声速燃烧室内部流场具有流速快、温度高、背景光辐射强等特点，其流场显示较为困难。目前对燃烧场穿透深度的研究工作还很少。有鉴于此，我们以高速脉冲纹影实验测量结果为基础，对冷流场穿透深度公式进行了修正，构建了燃烧场的穿透深度公式，较好地拟合了燃烧室入口马赫数2-3的实验结果。　　
国际最新研究成果表明，对于凹腔台阶上游壁面横向喷射，火焰最先稳定存在于凹腔回流区与主流之间的剪切层中，因此剪切层内的参数必然影响贫富油熄火极限。因此我们对凹腔剪切层内的气体驻留时间、当量比、温度等参数进行了推导，结果发现剪切层内气体驻留时间与火焰传播速度及来流总温有关，而火焰传播速度与来流总温和当量比有关。如将剪切层看做完全混合模型(PSR)，可以建立剪切层内熄火时当量比与气体驻留时间和来流总温的关系，进而通过迭代计算可以获得剪切层内熄火当量比与来流总温的关系，并与实验结果对照，进一步探究超临界煤油的超声速燃烧稳燃规律。