激波诱燃冲压发动机燃料喷注混合增强机理与预着火抑制研究

The fuel/air mixing process and the premature ignition suppression in the forebody/inlet of the shock-induced combustion ramjet (shcramjet) engine are investigated by combination of experiments, theoretical analysis and numerical simulations. High-speed flame luminosity imaging/laser schlieren, PLIF, PIV, NPLS, TDLAS and mass spectrograph, combined with High-resolution hybrid RANS/LES numerical simulation, are adopted to study detailed temporal-spatial structure of the mixing and combustion flow in the forebody/inlet, in which the mechanism of shock and votex enhancing the fuel/air mixing in hypersonic flow are explored. The rules of mixing efficiency and total pressure lose of different injection modes under different injection conditions are investigated. The injection modes includes inflow condition, inlet configuration and injector type. The limit to control premature ignition in boundary layer is investigated by using cooling inlet wall, N2 injected from inlet wall, and other optimized injection scheme. Thus the essence of the premature ignition suppression is given. Finally, the optimal integral design concept of forebody/inlet/injector is promoted. The project will be helpful for understanding the mixing and combustion process of shcramjet and provides technology basis of key research on shcramjet.

本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究等手段对激波诱燃冲压发动机前体/进气道的燃料/空气混合过程和预着火抑制开展机理研究。综合运用高速摄影/激光纹影、PLIF、PIV、NPLS、TDLAS、质谱仪等设备，结合高精度混合RANS/LES数值模拟方法，研究前体/进气道内混合/燃烧流场的精细时空结构，探索高超声速气流中激波、旋涡增强燃料/空气混合的机理。深入研究不同来流条件、进气道构型、喷注方式在不同喷射条件下的燃料/空气混合效率和总压损失的影响规律；通过冷却进气道壁面、壁面喷注冷却氮气和优化喷注方案等措施，主动控制边界层的温度和燃料分布，探索边界层内预混气体预着火边界，揭示预着火抑制的本质；综合混合增强和预着火抑制规律，给出优化的前体/进气道/喷注器一体化设计方案。该项目研究将加深对激波诱燃冲压发动机流动混合与燃烧过程的认识，为激波诱燃冲压发动机关键技术研究提供基础支撑。

本项目以悬臂斜坡喷注器为研究对象，采用理论分析、数值模拟和实验研究等手段对激波诱燃冲压发动机前体/进气道的燃料/空气混合过程和预着火抑制开展机理研究。综合运用高速摄影/激光纹影、PLIF、PIV等设备，结合高精度的数值模拟方法，研究了前体/进气道内混合/燃烧流场的精细时空结构，探索高超声速气流中激波、旋涡增强燃料/空气混合的机理。深入研究不同来流条件、喷注方式在不同喷射条件下的燃料/空气混合效率和总压损失的影响规律。该项目研究将加深对激波诱燃冲压发动机流动混合与燃烧过程的认识，为激波诱燃冲压发动机关键技术研究提供基础支撑。.从国内外燃料流动与混合研究现状出发，利用非接触式流场光学诊断技术和基于Fluent数值模拟相结合的方法，研究了悬臂斜坡流场的基本波系结构，对超声速流场中悬臂斜坡下游喷注燃料的流动与混合特性进行了研究，分析了燃料喷注参数对燃料混合的影响；另外，采用大涡模拟和PLIF成像手段对超声速流场中喷注燃料的非定常特性进行了探讨。在高超声速流场中，主要采用数值仿真的方法对悬臂斜坡喷注器结构参数和燃料喷注参数对燃料流动与混合特性的影响进行了研究。取得了很多主要研究成果，设计并建成了一套高浓度丙酮/氮气加热系统，完成了直连试验台试验段和试验件的设计和加工，通过DG535控制时序，实现了对短脉宽PLIF信号的完整捕获，从而可以在背景辐射较强的探测环境中获得信噪比较高的图像。通过纹影试验和数值仿真研究发现悬臂斜坡上形成的斜激波呈很强的三维效应，燃料喷注后与喷注前对流场的波系结构相似但略有不同，燃料喷注后会改变悬臂斜坡上斜激波的方向，使其与斜坡的夹角增大。总结了高超声速流场中燃料混合增强的机理。比如，超声速流场中五种构型的燃料射流在流场的运动中都不同程度的表现出了较强的非定常特性，这对燃料的混合是比较有利的，流场下游出现的涡结构会增大燃料与空气的混合程度。高超声速流场中燃料离开喷口之后，在流场中的运动过程大概经历了五个阶段，在燃料的流动与发展过程中，主要受到燃料喷注总压、燃料喷注方向、对流马赫数、悬臂斜坡构型参数的影响。