超声速气流中超临界碳氢燃料射流的混合机理与燃烧特性研究

采用燃料对发动机进行冷却是解决飞行器热管理和冷却问题的重要途径，因此吸热型碳氢燃料在高超声速飞行器上的应用受到广泛关注。本项目主要开展超燃冲压发动机燃烧室内超声速来流条件下的超临界/裂解态碳氢燃料横向射流的混合机制及燃烧特性影响研究。在热态和冷态条件下，综合采用激光纹影、PIV技术等先进光学手段，结合高精度数值模拟计算方法，观测和再现燃烧室内的精细射流流场结构，获得不同喷注条件下的穿透度特性和射流混合特性，明确特殊燃料介质的混合增强机制；得到不同工况和燃料不同状态及成分对燃烧性能的影响规律，揭示超临界/裂解态碳氢燃料射流的燃烧特性，为超燃冲压发动机燃烧室设计和燃烧组织方案优化奠定理论基础。

吸热型碳氢燃料能有效解决飞行器热管理和冷却问题，其在实际条件下呈现超临界/裂解态。超临界/裂解态碳氢燃料与常规的液体和气体燃料存在明显区别。本项目主要开展超燃冲压发动机燃烧室内超声速来流条件下的超临界/裂解态碳氢燃料横向射流的混合机制及燃烧特性影响研究。首先基于超临界热物性分析基础，研究了超声速等熵流动过程，给出了流场基本结构特征；比较了乙烯和加热煤油的穿透深度，并研究了喷嘴孔径、喷注角度、燃料温度和喷注速度等多个因素对超临界射流的穿透度与总压损失的影响规律。鉴于超临界态煤油与气态乙烯的相似喷注流场结构，研究并获取了常规气体射流混合机理，并定量分析了横向和流向的混合特性。在混合机理研究基础上，开展了较深入的基于燃烧过程的试验和数值研究。研究并获得了裂解态碳氢燃料的裂解温度、成份及当量比等参数对燃烧性能的影响规律；并基于替代燃料，包括混合气和乙烯，研究了不同喷注方式、当量比和喷注位置等对燃烧性能的影响规律，为超燃冲压发动机燃烧室设计和燃烧组织方案优化提供指导基础。