超燃冲压发动机燃料喷注方案综述

《超燃冲压发动机燃料喷注方案综述》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、超燃冲压发动机燃料喷注方案综述张岩李崇香韦宝禧徐旭摘要针对超声速燃烧来流速度快、碳氢燃料的驻留时间极短的问题，介绍了物理斜坡、气动斜坡、支板、塔式结构、凹腔、横向喷流等燃料喷注与掺混技术的工作原理与研究进展，并对进一步的掺混增强技术提出了若干展望。关键词超燃冲压发动机燃料喷注掺混增强引言超燃冲压发动机来流速度很快，燃料的驻留时间往往在毫秒级，对于液体碳氢燃料，还要考虑液滴破碎、雾化和蒸发过程，这些都增加了燃料实现完全化学反应所需要的时间和燃烧室长度。受发动机结构、质量等条件限制，燃烧室的长度不可能很长，因此，很难实现

2、燃料与来流的完全掺混。超声速燃烧一般为扩散火焰，掺混效果直接决定了燃烧室的燃烧性能。因此，燃料的喷注与掺混技术一直是超燃冲压发动机研究中的关键技术。对于超声速流场，由于可压缩剪切层的存在，流体之间的掺混速度相对于相同速度比的不可压流要慢得多，并且燃料的添加会造成较大的总压损失。因此，超燃冲压发动机的燃料喷注系统必须既能实现燃料与氧化剂宏观尺度的快速掺混，又满足气动阻力与总压损失足够小。另外，喷注器还要能控制由于热释放而形成的压力上升。为了实现燃料的快速掺混，国外学者提出了各种掺混增强技术，大致可分为两类:被动式掺混

3、增强技术和主动式掺混增强技术。下表列出了常常见的掺混增强技术项目掺混装置掺混机理被动式掺混增强1物理斜坡流向涡2气动斜坡流向涡3支板流向涡4塔式结构流向涡5旋转射流旋流6激波/边界层作用大尺度激励7凹腔声学激励8后向台阶自激震荡9横向喷流横向曲率10脉动射流大尺度外加激励11霍尔姆兹谐振器大尺度外加激励12压电共振器大尺度外加激励13声学激励大尺度外加激励主动式掺混增强见的掺混增强技术及其所对应的物理机制。1基于流向涡的掺混增强技术在可压缩剪切层中，流向涡受可压缩效应的影响比较小，通过引入和增强流向涡，将有助于增强

4、掺混。下面介绍几种基于流向涡机理增强掺混的具体方法:1．1物理斜坡物理斜坡是超燃燃烧室中一种增强掺混的有效装置。在斜坡的边缘能生成脱落涡，在斜坡的底部能形成分离回流区。流经斜坡的来流在斜坡下游会产生一对反向旋转的流向涡，而由斜坡底部喷出的燃料正好进入这对流向涡中。流向涡卷吸位于旋涡中心的燃料，导致来流与燃料发生强烈掺混。斜坡产生的激波在对面室壁上反射后会打到燃料涡结构上，可能导致涡破裂，同时激波与燃料柱相交产生的斜压作用也会诱发流向涡。FoxJS等人［1］在自由活塞激波风洞中研究了城堡型、平板型、后掠压缩-膨胀斜坡和

5、非后掠压缩-膨胀斜坡四种燃料喷注器的掺混特性，研究认为，喷注基金项目:国家自然科学基金(编号:51276007)本文2013-08-26收到，张岩系北京航空航天大学讲师，李崇香系河北北方学院讲师器结构诱导的涡结构和强度决定了掺混效率。HaltfieldＲJ等人［2］对后掠斜坡喷注器的研究显示，近场掺混由斜坡产生的流向涡所主导，而在斜坡下游，远场掺混由流向涡主导转变为由湍流主导。Abdel-salamTM等人［3］利用数值模拟得出结论，增加斜坡后掠角能够增大掺混效率，而增加来流马赫数将导致掺混效率a)九孔气动斜坡［4

6、］b)四孔气动斜坡［11］图1气动斜坡结构示意图降低。试验和数值仿真研究显示物理斜坡也存在一些不足之处。首先，由于物理斜坡通常要侵入流场，因而会产生较大的总压损失和阻力;其次，物理斜坡表面会产生很高的热负荷，对材料的耐热性提出了较高要求，尤其是斜坡的尖锐边缘在高温环境中很容易烧蚀破坏。由于物理斜坡的掺混增强和火焰稳定效果高度依赖其几何结构，一旦几何结构遭到破坏，物理斜坡的掺混增强效果将被大大削弱。因此，近年来对物理斜坡的研究逐渐为气动斜坡所取代。1．2气动斜坡气动斜坡的概念源于物理斜坡，它通过合理布置壁面燃料喷孔的阵

7、列，依靠阵列燃料喷流对来流的阻碍抬升作用，形成类似物理斜坡的掺混增强效果。气动斜坡喷注的优点是没有侵入来流的物理结构，同时兼具了斜压作用诱导生成附加涡以及激波诱导涡破裂等增强掺混的优势。图1显示了常见的九孔和四孔气动斜坡构型的示意图。1994年，Cox［4］等人最早提出了气动斜坡的概念，并通过试验和数值仿真研究了九孔气动斜坡喷嘴不同展向间距、侧偏角、横向喷射角度、动压比等参数对燃料掺混性能的影响，结果发现展向间距和侧偏角都不是气动斜坡形成强流向涡所必需的条件，并且较小的展向间距和侧偏角有利于减小总压损失。Fulle

8、r［5，6］在马赫数2流场中研究了九孔气动斜坡的性质，并与物理斜坡作了比较，发现在动压比相同时，气动斜坡的近场掺混效率优于物理斜坡，但其远场掺混效率则不如物理斜坡;增加气动斜坡喷嘴动压比可以使其远场掺混效果接近物理斜坡，并且随着动压比的增加，物理斜坡掺混效率下降，气动斜坡掺混效率上升。Jacobs-en［7，8］在研究了九孔气动斜坡的流场结构后