双模态冲压发动机模态转换过程中的迟滞问题研究

An experimental and computational study on the hysteretic phenomena in the mode transition process of the dual-mode scramjet will be performed. The experiments are conducted at a long operating time direct connect scramjet facility. Kerosene and ethylene are selected as fuel, and the cavity, strut and aero-ramp act as flameholders in the experiments. During the long time experiment, the mode transition will be realized from ramjet to scramjet and vice versa by means of adjusting the fuel injection position and euqivalence ratio. Static wall pressure data are used to analyze the combustion efficiency and combustion mode. Tunable diode laser absorption spectrum(TDLAS) will be used to measure the combustion temperature and species, high speed schlieren will be preformed to capture the mode transition images, and high frequency dynamic pressure measurement will be used to capture the characteristic frequency during the mode transision. Unsteady algorithms will be used in the mode tansition numerical simulation, multi stage Runge-Kutta method for the time integration and AUSM series algorithms for the space discretization. Both gas phase and gas-liquid two phase combustion will be modeled, steady flamelet model or finite rate chemical reaction model for the reaction of hydrocarbon, propability density function(PDF) model to consider the turbulence influence on sunsonic and supersonic combustion. By this research, the phenomena and mechanism of hystreretic in mode transition will be studied detailedly, the influence factor on hysteretic will be revealed. The control of hysteretic in the mode transition will also be investigated.

对双模态冲压发动机燃烧模态转换过程中的迟滞问题开展实验和数值模拟研究。实验基于长时间直连式超燃实验台，分别采用煤油和乙烯为燃料，凹腔、支板和气动斜坡为火焰稳定器，在连续工作条件下完成燃料喷射位置、当量比的改变，实现亚燃和超燃模态的相互转换。通过分析壁面压力数据判别燃烧模态；通过TDLAS技术测量局部火焰温度和燃烧产物浓度分析燃烧状态的强弱；通过高速纹影捕捉模态转换过程中的动态图象；通过高频压力测量捕捉模态转换过程中压力振荡的特征频率。采用非定常流场计算方法模拟模态转换过程，多级Runge-Kutta法用于时间离散，AUSM系列格式用于空间离散，火焰面模型或有限速率化学动力学模型结合离散相两相流模型、PDF湍流燃烧模型模拟碳氢燃料的燃烧。通过本项目的研究，力争从实验现象上揭示迟滞发生的影响因素，从数值计算结果中发掘产生迟滞的流场细观特征，探讨迟滞现象的产生机理和工程上控制迟滞发生的有效方法。

开展了超燃冲压发动机模态转换的试验和数值模拟研究，采用了两种不同类型的燃烧室构型对双模态超燃冲压发动机中的模态转换问题进行试验研究，包括使用氢气和乙烯为燃料的气动斜坡燃烧室和使用液体煤油为燃料的双支板燃烧室。在不同的燃烧室构型中，试验捕捉到了模态转换中的迟滞现象，并进一步研究了影响迟滞的因素。在以煤油为燃料的双支板构型燃烧室中，采用可调文氏管动态改变燃料当量比，实现燃烧从亚燃到超燃以及超燃到亚燃的模态转换。实验发现，在较低来流马赫数和总温（Ma 2.0，总温1231K）下，燃烧室下游火焰向上游传播的主要途径是通过壁面附面层的分离区；在较高来流总温下（Ma 3.0，总温1899K），燃烧室下游火焰向上游传播的途径增加了通道中央的爆燃转爆轰波（DDT）机制。隔离段分离区的大小和整体燃烧效率的高低决定了模态转换中迟滞的程度，在本项目的试验中，高来流马赫数下的迟滞弱于低来流马赫数下，氢气燃料的迟滞弱于乙烯燃料。.采用了定常和非定常手段对双模态超燃冲压发动机的模态转换过程进行了模拟，燃烧计算中重点考察了火焰面模型在双模态超燃冲压发动机中的适用性问题。结果表明，对于氢和碳氢燃料，火焰面模型的预测结果都是可以接受的，但在氢燃料双模态超燃冲压发动机中的适用性更高。相比而言，部分预混火焰面模型由于其考虑了火焰面的非稳态分支，能够捕捉到燃料混而不燃的现象，更适用于超声速燃烧的数值模拟。