气态碳氢燃料H-S管激励射流对超声速燃烧影响规律研究

The jet into cross-flow is one of the scramjet engine main injection ways, and how to improve the penetration depth of the jet mixing and combustion efficiency are the key issues that need to be solved. This project investigate the use of Hartmann-Sprenger 's tube (H-S tube) excited-jet device based on shock wave resonance principle, effectively enhance the hydrocarbon gas mixing and combustion efficiency. The effects of jet frequency, fluctuating velocity on combustion are investigated by theoretical analysis, numerical simulation and combustion experimental method, to address the mechanism of excitation parameters and the instability of the jet interface; interaction of combustion and excitation of jet, establish mathematical model of the excited-jet parameters and the mixing layer growth rate, and ultimately enhance supersonic combustion within a short distance. Provide a theoretical basis for application of excited jet in supersonic combustion

横向射流是超燃冲压发动机主要燃料喷注方式之一，而如何提高射流的穿透深度、混合与燃烧效率是函待解决的关键问题。本项目研究利用基于激波吞吐共振原理的Hartmann-Sprenger管（H-S管）激励射流装置，获得有效增强气态碳氢燃料混合与燃烧的方法。通过理论分析、数值模拟和直联燃烧实验相结合的方法，研究H-S管激励射流频率、出口速度振幅对燃烧的影响规律，解决激励参数与射流界面失稳的机理；燃烧与激励射流相互作用机理，建立激励射流参数与混合层增长率的数学模型，最终达到短距离内增强超声速燃烧的目的。为激励射流在超声速燃烧中的应用提供依据。

在高超声速吸气推进系统中，超燃冲压发动机以其高推重比成为最具有潜力的推进系统。在超声速燃烧中，燃烧室内气流流动的特征时间与燃料与空气发生化学反应的特征时间相比常规的燃烧过程更为接近，基本处于同一数量级。这就需要快速流动混合机制以缩短流动混合过程的时间与空间尺度，进而保证燃料高效地燃烧。..剪切层的发展对流动的混合具有控制作用。本文基于流动线性稳定性理论对可压缩轴对称平行射流的剪切层稳定性进行理论分析，并针对剪切层中扰动模态增长率对流动参数的依赖关系给出了理论解释及数值验证。此外，以扰动线性模态的特征函数为形函数，基于能量积分法，详细研究了剪切层在周期激励扰动作用下的响应。确定了临界激励频率及其对流动参数的定性依赖关系，讨论了激励幅值对剪切层激励响应的影响。.通过分析剪切层激励响应对激励频率的依赖性，确定了临界激励频率的存在性。得到的扰动无量纲临界激励频率为 。这个频率处于Jet Preferred 模态的频率范围内，所以这个临界激励模式可以看作是相应流动状态下的射流优先模态。 .采用H-S管产生的激励射流应用于超声速燃烧实验研究中，对理论进行了部分验证，证明了激励的增混作用，即使是1k的激励频率，其激励对燃烧效率有较大提升。.本文的研究意义主要有两点：其一是完善了剪切层线性稳定性分析中对扰动模态对流动参数依赖关系的理论解释，并基于扰动模态传播相速度的物理意义给出的超声速模态存在性的证明；其二是全面分析了射流剪切层在有限幅值激励下的响应，得到了临界激励频率并将其与射流优先模态的实验研究联系起来，对射流模态出现原因给出一种理论解释。