低飞行马赫数下组合喷注点火方案实现煤油超燃冲压发动机局部火焰发展扩大的机理研究

In low flight condition, only local flame with weak heat release can be achieved by spark ignition in a scramjet engine fueled with kerosene. The expanding problem of local flame has been the bottleneck in application of spark ignition in kerosene scramjet engine. A combined injection method has been proposed for promoting the expanding of local flame. The method act very well in experiments, but the mechanism of this method has not been clarified. In this project, the PLIF, PIV, PDPA, and high speed schlieren method will be employed to investigate the effect of jet parameter on spatial distribution of kerosene spray. The interaction of spray and local flame will be observed and analyzed. The mechanism of local flame expanding problem will be uncovered. The relationship between jet change and flash-back of local flame will be figure out. The condition of flash-back will be summarized. The results of project can reveal the interaction process between spray spatial distribution and local flame, and can be the theoretical basic for solving expanding problem of local flame by changing upstream jet condition. At last, the repeatable and reliable ignition can be achieved by spark in scramjet engine.

低飞行马赫数下，煤油超燃冲压发动机火花塞直接点火后只能得到释热很弱的局部火焰。局部火焰发展扩大问题成为实现煤油超燃冲压发动机直接点火的瓶颈。申请人提出采用组合喷注点火方案实现局部火焰的发展扩大。点火方案取得了良好的试验效果，但机理尚不清楚。本项目拟采用PLIF、PIV、PDPA、高速激光纹影等观测手段和高精度的大涡模拟程序，开展射流参数对液雾流场空间分布的影响规律研究；观测和分析局部火焰燃烧模式下火焰与煤油液雾的相互作用过程，明确局部火焰发展扩大困难的机理；揭示射流关阀过程引起局部火焰释热强化的机理，提出局部火焰发生火焰回传的条件。项目研究成果将揭示超声速流场中液雾与局部火焰的相互作用机理，为控制上游喷注实现局部火焰发展扩大的点火方案提供理论支撑，实现超燃冲压发动机的多次可重复可靠点火。

本项目以煤油超燃冲压发动机可重复点火需求为牵引，开展了低飞行马赫数下煤油火花塞直接点火研究。首先，对比了不同上游喷注的液雾空间分布。结果表明：凹腔内局部当量比会随着喷注压力的上升，先增大后减小；喷注压力较大时，射流穿透度较大，凹腔剪切层附近液雾稀疏，凹腔内局部当量比较低；喷注距离的增加会使射流液雾更加贴近壁面，导致凹腔剪切层液雾稠密；喷孔尺寸的增大会增加射流穿透度。其次，研究了上游喷注对局部火焰强度的影响，分析了液雾与局部火焰的相互作用。结果表明：凹腔内局部当量比过低时，火花塞放电后没有初始火核产生；点火凹腔内局部当量比较高时，初始火核能正常点火形成，但频繁出现熄火；剪切层液雾较多，一方面会增大凹腔内局部当量比，另一方面会降低局部火焰的强度，导致凹腔后缘尾焰较弱。然后，研究了组合喷注对局部火焰尾焰强度和火焰回传的影响。结果表明：平直侧单凹腔构型中，下传尾焰可以在下游形成局部热壅塞，并发生下游火焰的回传；双凹腔构型中，下传尾焰可以在下游凹腔形成下游凹腔火焰，再通过下游凹腔火焰回传形成全局火焰；组合喷注点火方案可以明显改善这两种构型中全局火焰的形成。最后，研究了凹腔局部压力对点火和火焰传播的影响，初步形成了煤油超燃冲压发动机火花塞直接点火方案。结果表明：来流总压降低后，局部火焰强度降低；增大凹腔内静压后发现，点火性能得到明显改善；初始火核的最小点火能量主要受到蒸发的影响；来流总压、总温主要通过影响火焰发展过程中的释热强度影响点火。研究成果可以简化飞行器在低飞行马赫数下的点火系统，降低超燃冲压发动机接管飞行的马赫数，实现煤油超燃冲压发动机的多次可重复点火；深化了对液雾燃烧的认知，可以指导火箭发动机、冲压爆震发动机的燃烧组织。