摘要：本文针对超燃冲压发动机燃烧室扩张段非均匀流场温度和水汽浓度二维分布的高分辨率测量需求,发展了先进的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)燃烧场分布重建技术,该技术通过增加激光测量光路上扫描获得的水汽吸收谱线数目,实现场分布重建问题求解方程数量的增加;通过联立所有交叉光路下吸收光谱获得的吸光度方程,构建以温度和浓度为未知数的最优化目标函数;并采用全局寻优模拟退火算法对目标函数进行求解,实现温度场和水汽分压场的重建。发动机直连台架试验中,采用正交光路布局,设计共16条测量光路(水平5条、垂直11条)的方形光机结构,集成TDLAS测量系统。对5只DFB激光器采用分时直接吸收探测方式,测量频率4 kHz,每条测量光路下可扫描获得5条水汽吸收谱线(7467.77、7444.36、7185.60、7179.75和6807.83 cm),系统在高温炉上开展了多温度台阶标定测试,温度测量偏差在2.7%以内。外场试验中,对16条光路下同步采集到的吸收光谱数据进行离线处理,获得了发动机燃油点火、燃烧、熄火各个状态下的温度场和水汽分压场分布数据。试验结果表明:TDLAS多线吸收测量技术能够实现场分布准确稳定测量,满足发动机复杂燃烧流场诊断和恶劣工况工程应用需求。

摘要：实现高速气流的点火和稳定燃烧是超燃冲压发动机燃烧室设计面临的主要问题,空气节流通过在流场中产生激波串,减小主流气体的马赫数,提高当地的静温和静压,辅助发动机实现起动点火和稳定燃烧。为了研究空气节流的详细机理,通过求解三维N-S方程的方法研究了节流流量、节流位置对节流效果的影响,同时对比了有无节流存在对超燃冲压发动机燃烧室流场结构和掺混特性的影响,分析了节流促进燃料高效混合的机理。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温517.7K、静压101342.2Pa的条件下,20%入口空气流量的节流流量是最合适的节流流量,本文研究的实例中最佳节流位置位于距燃烧室入口623mm处,同时证实了节流有效地促进了燃料的混合,提高了混合效率。

摘要：燃烧场的流场诊断研究,有利于燃烧室的结构设计和燃烧状态的组织。研究主要采用激光纹影/阴影和差分干涉方法显示燃烧场的波系结构,并用羟基平面激光诱导荧光(OH-PLIF)方法诊断燃烧边界和核心燃烧区域,得到了清晰的燃烧场波系显示结果和燃烧情况的PLIF显示结果。将差分干涉/激光阴影和PLIF方法结合,可以考察波系结构与燃料燃烧的关系。研究采用了一种新型消相干技术的激光纹影,可以像常规纹影一样用刀口切割光源像,不会产生明显的激光散斑和衍射现象;同时在工程上将波系结构显示和PLIF进行同步诊断,也是比较有意义的工作。该工作对于超声速燃烧流场的研究具有参考意义。

摘要：为解决超燃冲压发动机点火难题,设计了一种以空气和煤油作为氧化剂和燃料的火炬点火器。点火器能量设计为300kW,空气和煤油的设计流量分别为98.9g/s和6.7g/s。采用软件CHEMKIN 4.0对不同当量比条件下点火器出口气流参数进行了计算,将点火器的工作状态优选为富氧模式。煤油从点火器端面经旋流喷嘴注入,空气分为一次喷注和二次喷注两个支路,采用普通汽车火花塞点燃空气煤油混合物。建立了试验系统,压力测量和摄影图像表明该点火器能够在当量比在0.3~1.3范围内可靠工作。点火器的起动时间约为0.9s,火焰长度约为30cm,存在高频率小幅值脉动燃烧现象。试验表明该点火器能够可靠点燃超燃冲压发动机。

摘要：为深入了解换热预冷发动机换热器预冷效果和发动机性能,首先设计了叉排管束式细小通道换热预冷器,并采用非定常数值模拟方法对换热效果进行了仿真,然后结合换热预冷发动机性能计算程序对预冷发动机性能进行了研究。结果表明,飞行马赫数为2.5～4.0且氢气空气质量流比为0.03～0.09条件下,换热预冷器能将来流空气预冷90.6～471.2K,低温氢气经吸热后温度升幅为266.1～455.3K,换热效果良好。来流空气经预冷后涡轮发动机的飞行包线最高被拓展至马赫数4.0,达到了与超燃冲压发动机的衔接速域。相比于传统涡轮发动机,氢气空气质量流比为0.03时,本文换热预冷发动机加力状态推力能恢复至设计点推力水平;当氢气空气质量流比增加至0.09时,加力状态推力最高达到设计点推力的两倍左右。马赫数2.6以下换热预冷措施能小幅改善发动机比冲和耗油率(仅计算用于燃烧的氢气量)性能,而飞行速度大于马赫数2.6后换热预冷措施也难以抑制比冲和耗油率迅速恶化的趋势。

摘要：从甲烷点火燃烧的GR I-M ech 1.2详细化学反应动力学模型出发,采用“准稳态”假设方法来对其进行简化,得到了包含18组分14步总包反应的简化反应模型。通过典型试验结果对比和基于均匀试验设计的校核计算结果比较可以看出,采用“准稳态”假设方法得到的简化反应动力学模型能有效地再现详细基元反应模型的反应机理,具有较高精度,是可靠而有效的。

摘要：以甲烷为冷却剂的预冷型涡轮基组合发动机以其较高的冷却性能和密度比冲等优点,成为未来宽速域飞行器动力装备问题的重要研究方向。针对该型发动机的核心部件——预冷器,建立理论计算模型对其综合性能进行了评估,并提出了一种熵函数分析法,对预冷器与压气机工作参数匹配特性开展理论分析。计算结果表明,所提出的预冷器方案换热有效度在0.5~0.72,功重比达到250kW/kg;甲烷预冷措施能将涡轮发动机工作速域扩展至Ma=3.1,此状态来流空气最高被冷却180K。对预冷器和压气机整体结构,“单位比热的比熵”与冷却剂当量比和压气机压比均成正相关。压气机能在根据材料耐高温极限设计的预冷器/压气机共同工作线上获得最高压比,但需消耗大量冷却剂,导致发动机比冲和热循环效率降低;冷却剂当量比始终控制在1.0左右的工作线能获得较高比冲、压比和热循环效率,同时消耗的功率和冷却剂均较低;保持较低熵增设计的工作线有较高热循环效率和较低功耗,但压比偏低,发动机难以提供较高输出功率。

摘要：预冷型组合循环发动机具有工作速域宽、比冲高和推重比大等优点,在未来空天领域有广阔的应用前景。本文首先回顾了LACE、SABRE和ATREX等主要预冷型组合循环发动机的工作原理、技术特点和研究情况,对各型发动机热力循环中面临的难点问题进行了分析。其次,针对发动机预冷器、压气机、涡轮和燃烧室等关键部件,建立了热力循环计算模型,研究了预冷和燃烧对冷却剂的流量需求问题、预冷器与压气机性能参数匹配问题和压气机与涡轮共同工作问题等。结果显示,1.0~2.0倍当量比的氢在马赫数0~4.5速域内能将空气冷却51~476 K,而相同流量的甲烷在马赫数0~4.0速域内仅能将空气冷却24~182 K;熵函数用于表征预冷器和压气机在热势差效应和功热转换过程中的能量损失总和,根据发动机性能需求,在熵函数图上可设计不同的当量比-压比(φ-π_(c))协同工作线;涡轮总功率是影响预冷发动机压气机压比的主要原因,与传统涡轮相比,驱动涡轮的工质(冷却剂)流量小,要求涡轮单位功率高,给涡轮设计带来挑战。最后结合评估结果对预冷型组合循环发动机的未来发展提出了一些建议。

摘要：针对超燃冲压发动机燃烧室内燃料/空气掺混特性,设计了一套以acetone-PLIF(planar laser-induced fluorescence)为技术手段的流动显示测量系统,得到了4种不同结构交错楔形支板在不同特征截面处的丙酮荧光图像,研究了喷嘴位置和尾缘角这两个变量对燃料/空气掺混效果的影响。结果表明:"基准"支板NL1的流场结构主体上表现为横向"S"形曲线,燃料/空气的掺混效果相对普通;NL2支板虽然增大了一些丙酮的扩散范围,但有荧光信号的掺混区域面积却反而有所下降;而引入扩张型尾缘角变量的EL1支板则是大幅改善了燃料/空气的掺混效果,54 mm截面的丙酮分子充满了较大片区域,掺混区域超过截面的1/2。

摘要：采用试验与数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响。发动机入口气流总温、总压和马赫数分别为1100K,1.0MPa和2.0。空气节流位置距离发动机入口625mm,空气节流流量为入口发动机空气流量的27.2%。多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机燃烧流场结构和火焰传播规律的诊断,包括纹影、阴影、差分干涉、自发光照相和OH-PLIF。首先考察了有、无空气节流时超燃冲压发动机冷流流场的结构,结果显示:在实施空气节流后,流场内产生了激波串结构。激波串促使流场的静温和静压升高,马赫数降低。同时激波串与边界层相互作用,导致了边界层分离,促进了燃料与空气的高效混合,实现了煤油的可靠点火。其次考察了先锋氢气燃烧流场的火焰传播规律与稳定形态,结果表明:当先锋氢气当量比为0.3时,燃烧流场振荡;当先锋氢气当量比为0.1时,燃烧流场稳定。最后研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响,结果表明:不实施空气节流时,液态室温煤油吹熄了先锋火焰,煤油点火失败;实施空气节流后,煤油成功点火,当先锋氢气和空气节流撤除后,煤油仍然保持稳定的燃烧。