超声速燃烧中火焰传播规律和特征及其诊断方法研究

以超燃冲压发动机为背景，以点火、火焰传播以及流场波系结构等为关注要点，在开展流场诊断方法研究的同时，探索超声速可燃气流的点火特性以及燃烧中火焰传播的规律与特征。研究基于氢和若干种碳氢燃料，采用激波管、激波风洞产生所需温度的超声速可燃气流，通过调节来流温度和在流场中设置扰动诱导自点火，或通过点火装置强迫点火实现燃烧，并形成传播的火焰；通过设定不同的可燃气体当量比等来流参数或边界条件实现火焰表现方式的多样化；采用纹影、激光全息干涉、平面激光诱导荧光等光学方法及其组合运用，观察和测量在超声速可燃气流中火焰的形成、火焰的结构，以及火焰面前后流场中的波系情况，分析和研究来流扰动、燃料属性和状态等与点火以及火焰传播特性之间的关系，以求在超声速燃烧流动特征、机理和规律方面获得新的认识，为超燃冲压发动机的研制提供基础性的概念和理论支持，同时也寻求在超燃研究的实验测量方法上有所突破。

本项研究以超燃冲压发动机和超声速燃烧为背景，以点火燃烧、复杂波系干扰为关注焦点，在激波风洞和激波管中开展了流场诊断方法和相关的流动机理研究。主要取得的成果和进展情况下：提出了一种在激波管中采用圆柱形汇聚激波点火新方法。根据激波动力学理论，采用固壁连续弯曲方式将平面激波转换为圆柱面激波，在激波管端部试验段实现扇形楔角区域内的圆柱形汇聚激波并成功开展了点火特性实验；采用高速纹影与多通道压力测量相组合，通过时间同步的分析方法，对以燃烧室高背压为背景的激波振荡现象开展了研究。结果表明，高速纹影所获得的流场信息与压力传感器多点历史过程相结合，在揭示激波风洞中流场非定常波系干扰和演变过程机理方面具有独到的优势。研究发现，燃烧室背压与唇口的分离流动耦合作用以及与之伴随的隔离段上、下游传播的激波是导致进气道不起动和激波振荡的要因；在激波风洞中考察了三组具有不同压缩角度的进气道模型内部的流场情况。实验观测手段为油流法、丝线法和高速纹影。综合显示结果较为直接地展示了激波、分离线、再附线等分界线位置。根据实验结果，可以推测唇口激波与进气道内边界层的相互作用及其引起的壁面分离是影响进气道内流动的主要因素；另外，在激波风洞直联台上，开展了TDLAS燃烧加热风洞的模拟实验测量研究，获得了来流静温、组分含量和流速等信息，并研究分析了燃烧产物组分含量的影响。