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超燃冲压发动机多凹腔燃烧室燃烧与流动过程研究

潘余  
【摘要】: 本文以超燃冲压发动机多凹腔燃烧室为研究对象,采用实验与数值仿真相结合的方法,对多凹腔燃烧室冷流流场、燃烧流场、工作过程和阻力特性进行了研究。 在冷流条件下,研究了不同凹腔布置方式下多凹腔燃烧室在有/无喷流时的流场结构。结果表明:凹腔串联布置时,上游凹腔和燃料射流改变了下游凹腔的来流条件,增强了下游凹腔与主流间的交换过程;凹腔并联布置时,凹腔间波系的相互作用和射流与凹腔的相互作用,有利于凹腔自由剪切层发展,加快了燃料的扩散混合。 在气体/液体燃料喷流的燃烧状态下,研究了不同凹腔布置方式下多凹腔燃烧室流场结构。研究发现:凹腔仅与壁面附近来流相互作用,凹腔与上游燃料射流的相互作用过程决定了放热区分布;凹腔并联布置时,凹腔前/后缘激波和相对分布的放热区增强了燃烧和火焰稳定;凹腔串联布置时,上游凹腔能够延长燃料驻留时间、加速燃料着火,下游凹腔能够提供持续的点火源,并促进上游凹腔对燃料的加热和预燃。 采用高速摄影和高速纹影对燃烧室内着火、火焰传播和熄火过程进行了研究。实验发现:上述过程与达到燃料着火条件的区域的动态变化相关;火焰能随分离区的变化而逆流传播,或者以燃料自燃或被湍流扩散火焰点燃的形式实现横向传播。 利用直连式试验台推力测量系统,在等截面多凹腔燃烧室中,对不同凹腔布置方式下有/无反应流时的多凹腔阻力特性进行了试验研究。分析表明:在无反应流时,凹腔阻力主要由自由剪切层撞击在凹腔后壁的影响区域决定;在有反应流时,凹腔阻力主要由凹腔附近放热区的分布决定;凹腔越多阻力越大,但在高当量比时燃烧阻力小于冷流阻力。 基于多凹腔燃烧室燃烧与流动过程研究的结果,提出了一种多凹腔燃烧室设计方法,为提高超燃冲压发动机燃烧室性能奠定了一定的技术基础。


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