固体燃料冲压发动机自持燃烧的影响因素

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1、航空学报JuI．252017V01．38No．7ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca固体燃料冲压发动机自持燃烧的影响因素巩伦昆，陈雄*，李唯暄，杨海涛，周长省南京理工大学机械工程学院，南京210094摘要：采用试验和仿真方法，研究了固体燃料冲压发动机(SFRJ)自持燃烧的主要影响因素。研究结果表明：SFRJ内为典型的扩散火焰，化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比

2、值是影响发动机自持燃烧的关键参数，该值越小，扩散火焰越稳定；本文研究工况下，较小的后台阶高度即可保证发动机实现自持燃烧，后台阶稳定火焰的物理原因是在固体燃料表面附近形成一个低速区，保证了固体燃料的分解燃烧，当台阶高度为0时，由于化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比值迅速增加，SFRJ无法自持燃烧；台阶高度较小时，点火过程会对SFRJ的稳定燃烧产生影响，SF刚可能会出现熄火复燃现象。关键词：冲压发动机；固体燃料；自持燃烧；后台阶；直连式试验；数值仿真中图分类号：V235文献标识码：A文章编号：1000—6893(201

3、7)07—120821—10固体燃料冲压发动机(SolidFuelRamjet，SFRJ)结构简单、比冲高，在超声速导弹或者增程炮弹中有着较大的应用潜力。但是，SFRJ存在一些不足，阻碍了其在实际工程中的应用。SFRJ对飞行速度、高度等飞行状态比较敏感[1]，工作性能在不同飞行状态下的变化较大。在20世纪90年代，国外针对该问题进行了大量的探索研究。Elands等[21对聚乙烯(Polyethylene，PE)的燃烧性能进行了理论与试验研究；Ferreira等∞1研究了PE在不同结构发动机中的燃烧性能；Zvuloni等H

4、1研究了小尺寸SFRJ的燃烧性能。而国内在20世纪末开始进行探索研究。其中，郭健[5]对丁羟(Hydroxyl—TerminatedP01ybutadiene，HT—PB)及贫氧推进剂的燃烧性能进行了研究；夏强[61和成红刚[73分别对有机玻璃(PolymethylMethacrylate，PMMA)和PE的燃烧性能进行了仿真与试验研究；谢爱元和武晓松[83对外侧面结构固体燃料的燃烧性能进行了试验与仿真研究；巩伦昆等[9。叩对固体燃料PE燃速的影响因素进行了分析。而SFRJ较差的火焰稳定性是阻碍其工程应用的另一个重要因素

5、，为了保证SFRJ能够持续稳定工作，往往需要在发动机人口处放置一后台阶结构，如图1所示。SFRJ能否实现自持燃烧是SFRJ设计中需要考虑的关键问题。所谓自持燃烧，是指在点火器工作结束之后，SFRJ中的固体燃料能够持续稳定地燃烧，发动机燃烧室能够建立稳定的压力场。Aft-chamberNozzle图1SFRJ示意图Fig．1DiagramofSFRJ收稿日期：2016—09—28；退修日期：2016-10—25；录用日期：2016—11—16；网络出版时间：2016-12-1416：29网络出版地址：WWW．cnki．ne

6、t／kcms／detail／11．1929V．201612141629．006．htmI基金项目：总装备部预先研究项目(404040301)*通讯作者．E-mail：chenxiong@njust．educn戮用格武{巩伦昆．陈雄，李唯喧．等固体燃料冲压发动机自持燃烧的影响因素￡J]．航空学报。2017，38(7)：120821．GONGLK．CHENX。LIWX。etal。Influencingfactorsforself-sustainedcombustionofsolidfuelramje《如．ActaAerona

7、uticaetAstronauticaSinica．2017，38(7)：120821．120821．1航空学报针对后台阶结构对SFRJ自持燃烧的作用问题，国外进行了一些试验研究，得到了SFRJ自持燃烧需要的最小台阶高度。Schuhe[1妇研究了不同燃料内径以及不同来流总温下的SFRJ自持燃烧性能，研究结果表明：当来流总温和燃料内径固定时，自持燃烧需要一个最小突扩比(燃料内径与入口内径的比值)，来流总温和燃料内径的增加会使该值减小，当来流总温大于600℃时，无台阶情况下，SFRJ依然可以实现自持稳定燃烧。Netzer和G

8、any[12]研究了燃料内径d。一10mm工况下的SFRJ自持燃烧问题，并对比了Schulte的研究结果，结果显示：燃料内径的减小会提高自持燃烧需要的最小突扩比。在仿真研究方面，Elands[1朝和Liou[141等对PE和PMMA固体燃料的自持燃烧条件进行了计算。仿真中，固体燃料燃速均采用固定值，仿真结果显示：随着