双模态燃烧室多级喷注条件下的二次火焰生成机制及其对模态特征的影响研究

Multi-staged-injection combustion with distribution flame is commonly applied in dual-mode scramjet aiming at controlling mode condition, enhancing thrust and increasing combustion efficiency. This project focuses on the auto-ignition phenomena in secondary flame involved in supersonic staged combustion. We are planning to study the dynamics of auto-ignition occurred in secondary flame and its effects on mode characteristic using the advanced optics diagnosis such as high speed schlieren photography, PLIF, NPLS, PIV and TDLAS of multi-parameter synchronization. The qualitative and quantificational data of high temperature, oxygen deficit and non-equilibrium of species produced by piloted flame and its effects on chemical kinetics parameters will be analyzed. The effects such as types of flame boundary, pre-combustion shock train and jet vortices on the dynamics auto-ignition kernel of secondary flame, condition of flame stabilization and heat release distribution will be explored. The flame interaction, characteristic of mode response and improvement on combustion completeness under various secondary flames will be compared to establish model for combustion mode response. The results would be beneficial for striking up the relation between flame distribution and engine performance and help enhance the knowledge of energy addition discipline in scramjet combustor. The fundamental data and theory obtained in this project would assist the engineering application of multi-staged-injection combustion.

双模态超燃冲压发动机燃烧室常采用分布式多级喷注的方式组织分级燃烧，以实现控制工况模态、增强推力、提高燃烧效率等目的。本项目聚焦超声速气流分级燃烧中的二次燃烧自点火现象，联合采用高速摄影和纹影、PLIF、NPLS、PIV、多参数TDALS同步测量等先进光学诊断技术，对二次火焰动态生成机制及其对模态特征的影响开展研究：分析不同分级燃烧条件下一次引导火焰的尾流高温、贫氧、非平衡组分等定性定量参数特征及其对二次燃烧化学动力学特征参数的影响；探索一次引导火焰类型、预燃激波串、射流涡系干扰等因素对二次火焰自点火火核动态生成过程、火焰稳定性条件、释热分布特征的影响；对比不同二次燃烧组织方式下的火焰相互作用过程、燃烧模态响应特征、燃烧效率提升效果，建立模态响应模型。研究结果将有助于建立火焰分布与发动机性能之间的联系，加深对双模态燃烧室能量注入机制的认识，为多级喷注燃烧的工程方案设计提供基础数据和理论依据。

超声速气流中二次火焰的火焰稳定条件、能量释放临界条件、火焰释热分布特性对于燃烧模态控制、推力增强具有重要的影响。为了深入理解超声速气流中的能量转换过程，对于多级喷注分级燃烧组织方式，更需要从燃烧室流场全局角度出发，在获得一次燃烧和二次燃烧火焰分布的近、远场对流扩散特征及其释热分布规律的基础上，建立火焰散布特性、流场模态特征与燃烧性能、推力特性之间的统一联系。.项目通过双模态模块化燃烧室结构的优化组合，针对多点喷注条件下的凹腔火焰稳定器下游边界层火焰和支板喷注器下游火焰这两种典型的前锋引导火焰，开展了一次喷注下的典型扩散火焰的参数特征研究。采用数值模拟方法获取了流场特征的定性定量结果，确定了一次火焰尾流区组分分布的参数区间范围。在以上数据的基础上，完成了二次燃烧化学动力学性能数据库构建。通过实验设计，采用混合气配比、外热源加热的方法，实现了尾流火焰中组分参数特征的模拟，结合化学动力学CHEMKIN工具的模拟计算结果，分析了一次燃烧尾气效应对二次燃烧化学动力学性能的影响。.对超声速气流中的一次燃烧引导火焰下的多点喷注二次横向喷注火焰的火焰分布机制和推力形成机制开展了研究。发展了基于TDLAS的多参数图像重构技术，对光学系统的架构进行了总体设计，提出了基于PIV的气流冲量测量光学系统方案和基于TDLAS的燃烧效率测量光学系统方案。.采用高速摄影技术并结合数值模拟技术，对分级燃烧火焰的相互作用过程开展研究，通过采用等离子体射流模拟二次射流火焰，研究了各级燃料喷注射流轨迹及其火焰交互特性的研究，获得各类火焰分支在火焰相互作用过程中的形态变化及其锋面扩展特征，揭示了各级火焰之间的相互传播过程及其相互强化、弱化规律。通过横向射流的方法，向一次火焰区域中喷入燃料，观察到火焰生成过程和火焰结构，研究了射流动量比、喷注位置、喷注方式对火焰形态和释热分布的影响。