超燃冲压发动机燃烧室中的非稳态燃烧过程研究
本文在对应飞行马赫数为4的来流条件下，以单边扩张构型的超燃冲压发动机燃烧室中的非稳态燃烧过程为研究对象，通过大量直连式试验并结合数值计算，对燃烧室中的稳焰特征，燃烧振荡的瞬态过程、诱发和形成机制，燃烧振荡特性和燃烧振荡的抑制进行了研究。 通过试验研究了不同当量比条件下燃烧室中的稳焰特征。发现在0.13-0.53的当量比范围内，燃烧室中将出现以下多种稳态和非稳态燃烧过程：凹腔稳定燃烧，凹腔辅助的射流尾迹稳定燃烧，以凹腔辅助的射流尾迹稳定燃烧为主的间歇性振荡燃烧，以凹腔稳定燃烧为主的间歇性振荡燃烧和周期性振荡燃烧。当量比越高，越容易发生非稳态燃烧，燃烧振荡的周期特性越显著。且在单边扩张的燃烧室构型中，稳焰特征的壁面效应非常显著，扩张壁面喷注和稳焰时更易产生振荡燃烧。 通过试验和数值计算对燃烧室中的燃烧振荡过程进行了详细研究。结果表明：燃烧室中的大幅度非稳态燃烧过程具有很强的低频振荡特性，大部分振荡能量分布在200Hz以下的低频频域内。一个典型的燃烧振荡周期是一个包含火焰凹腔稳定阶段、火焰闪回阶段、火焰在射流尾迹区的传播与稳定阶段和火焰吹脱阶段，并伴随着燃烧模态在超燃模态与亚燃模态之间切换、火焰稳定模式在凹腔稳定模式和凹腔辅助的射流尾迹稳定模式之间转换的复杂过程。 火焰闪回是由上游凹腔回流区内的非稳态燃烧过程与下游出口分离区内的非稳态燃烧过程之间的相互耦合作用导致的下游火焰沿两侧壁面边界层向上游凹腔回流区的逆传诱发的；火焰闪回过程是一个三维特性非常显著的非稳态燃烧过程，火焰闪回主要沿由上壁面和两个侧壁面构成的角回流区和两侧壁面边界层进行，角回流区内的火焰牵引着两侧壁面边界层中的火焰回传；火焰闪回加速是由激波与火焰强烈耦合的正反馈作用导致的，是一个不完全的DDT过程，燃烧室中的周期性低频燃烧振荡是由不完全的DDT过程与射流尾迹火焰的熄火过程相互耦合形成的具有特定频率的振荡。 通过试验研究了多种因素对燃烧室中燃烧振荡的影响。结果表明：燃料类型、燃料的喷注混合、流道流通面积比、空气节流和来流条件等对燃烧室中的燃烧振荡特性有重要影响，而稳焰凹腔自身结构参数的影响则较小。 通过试验研究了燃烧振荡的抑制方法，发现氢气诱导燃烧方法和分布式喷注方法均可较为有效地降低燃烧室中大幅度燃烧振荡发生的频率，减小燃烧振荡的幅度，降低燃烧振荡的能量。
超燃冲压发动机;燃烧室;稳焰特征
国防科学技术大学
博士
航空宇航科学与技术
刘卫东
2018
中文
V235.21
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）