超燃冲压发动机凹腔火焰稳定器多孔发汗冷却机理研究

以未来高超声速推进系统应用为背景，开展超燃冲压发动机凹腔火焰稳定器多孔发汗冷却机理的深入研究。利用NPLS、PIV、高速激光纹影与PLIF等实验手段，结合高精度大涡模拟与传热相关理论分析，研究多孔发汗流对超声速附面层流态、湍流大尺度结构的作用机理，分析附面层热传导、对流传热特性；研究多孔发汗流与附面层分离流的相互作用，明确多孔发汗流对附面层分离与再附特性的影响；研究当发汗冷却介质在附面层内燃烧时附面层的燃烧流动特征，分析其传热模式与特性，并建立物理模型，分析多孔发汗对凹腔流场和稳焰性能的影响。该项研究将增进对含多孔发汗流的附面层热传导、附面层对流传热、附面层剪切摩擦释热、附面层内燃烧释热等多种传热过程与机理的理解，为超燃冲压发动机热防护设计提供理论指导。

本项目以凹腔火焰稳定器发汗冷却为研究对象，开展了凹腔超声速燃烧、发汗冷却流动、发汗冷却对凹腔燃烧和稳焰影响的试验和仿真研究。.开展了凹腔超声速燃烧流动特性的试验与数值仿真研究，在直连式试验中通过测量火焰分布、PLIF和纹影等技术，获得了凹腔燃烧与流动的特征，并对凹腔的火焰稳定机理进行了分析，发现火焰始终驻留在凹腔后壁区域，凹腔内大尺度回流将火焰由后向前运输到前壁区域。并且完成了凹腔燃烧及壁面温度场的分析，确定了后缘是凹腔热负荷最严重的区域。针对凹腔后缘提出了局部发汗冷却方案，并进行了仿真分析，对比了氮气和煤油两种冷却介质，结果表明由于相变吸热，煤油做发汗冷却剂能够有效的降低凹腔壁温。.开展了多孔发汗流对超声速附面层的影响研究。在超声速静风洞中，完成了平板多孔发汗流动特性试验，分别在超声速层流边界层和湍流边界层来流情况下，测试了气体多孔发汗对边界层的影响，并对比了不同的发汗气体总压。采用NPLS系统获得了流场的精细速度场图像，结果表明壁面多孔发汗流加速了超声速层流边界层的转捩，也会加速湍流边界层增厚，增强了气流与壁面间的对流换热。.开展了多孔发汗对凹腔流场和稳焰性能影响的试验研究。基于对凹腔超声速燃烧与壁面温度场的研究结果，在凹腔后缘壁面布置了发汗冷却孔。在超声速燃烧直连式试验中，采用煤油作为发汗冷却介质，获得了发汗冷却对凹腔超声速燃烧影响的火焰分布高速摄影图像，并对比了不同的煤油压力。试验结果表明后缘发汗冷却导致凹腔内的火焰结构发生了显著变化，破坏了凹腔内大尺度回流结构，改变了凹腔的火焰稳定机制。发汗出的煤油卷出凹腔后，在凹腔下游贴壁燃烧，也影响了主流区的燃烧与流动。