超燃冲压发动机中激波诱导燃烧和斜爆震的特性以及相互转变机理研究

There are two key problems for Scramjet combustor at high Mach numbers, including flame holding and efficient combustion. Relative to traditional flame holding techniques and combustion mode, shock-induced combustion (SIC) and oblique detonation wave (ODW) have the advantages of shorter ignition delay, faster heat release and higher cycle efficiency, which can improve flame holding and thrust potential and also reduce the combustor length. This project aims at SIC and ODW in the Scramjet combustor at inlet Mach number of 4.0, with fuel of hydrogen partially premixed with air. The SIC and ODW characteristics and the mechanism of their transition to each other will be investigated through theoretical analysis, direct-connected experiments and numerical simulation. ODW’s initiation criteria applicable to partially premixed flows will be proposed. The SIC characteristics under different fuel injection schemes and different mixing degrees will be investigated, by analyzing the flame structure, ignition delay and combustion instabilities. The influence of mixing degree on the ODW will be studied and the critical mixing degree for ODW’s initiation will be obtained to verify the validation of proposed criteria. Finally, the dynamic responses of SIC and ODW to the varible inflow conditions and their transition to each other will be researched. This project has theoretical and practical values for Scramjet to fly at higher Mach numbers.

超燃冲压发动机燃烧室在高来流马赫数下面临着火焰稳定和高效燃烧两大关键问题。相对于传统的火焰稳定及燃烧组织形式，激波诱导燃烧和斜爆震具有点火延迟短、燃烧释热快和循环效率高的特点，可显著提高火焰稳定性和发动机推力裕度并缩短燃烧室长度。本项目针对超燃冲压发动机燃烧室，入口马赫数4.0，氢气燃料，部分预混条件，采用理论分析、直连式试验和数值模拟方法，开展激波诱导燃烧和斜爆震特性以及二者的相互转变机理研究。建立适用于部分预混条件下的斜爆震起爆准则；考察不同燃料喷注方案和混合度下的激波诱导燃烧特性，分析其火焰结构、点火延迟特性及不稳定振荡燃烧机制；开展混合度对斜爆震的影响机理研究，得到斜爆震起爆的临界混合度，验证理论的合理性。最后，开展变来流条件下激波诱导燃烧和斜爆震的动态响应及相互转变机理研究。本项目对于超燃冲压发动机突破更高飞行马赫数具有理论和应用价值。

本项目以超燃冲压发动机为背景，开展了激波诱导燃烧和斜爆震的特性以及相互转变机理研究。通过数值模拟开展了变工况条件下斜爆震的动态响应特性研究。采用动态改变入流方向的方式模拟斜劈角度的动态变化，首次发现了斜爆震在动态响应过程中存在迟滞现象，并建立了三波点极曲线分析方法。数值模拟了斜爆震的起爆过程，观察到了斜爆震起爆过程中的类DDT(deflagration-to-detonation transition)现象。对斜爆震的平滑和突跃转变结构进行了分析，对比了不同的转变判据，指出了斜爆震转变结构所反映的物理本质是前沿激波后的化学反应进程。通过简化的由诱导步和放热步组成的两步化学反应机理，改变诱导步反应速率，考察了不同诱导区长度下的斜爆震三波结构。结果表明，在其它条件保持不变的情况下，当诱导区长度由小增大时，斜爆震的转变形态依次经历了直接斜爆震（几乎无点火延迟），平滑斜爆震，突跃斜爆震以及不稳定振荡模态。因此，证实了斜爆震的转变判据与化学反应进程相关。开展了斜爆震的抗干扰特性数值研究，结果表明斜爆震对于外部扰动并不是无条件稳定的，而是与扰动强度、持续时间、扰动位置以及斜劈角度等条件相关。开展了部分预混条件下的斜爆震直连式试验研究，提出了斜爆震的起爆和驻定增强方法。数值模拟了总温2500K，总压4MPa，Ma4.0阵列喷管流场混合情况以及采用了驻定增强方法的斜爆震起爆和驻定特性。结果表明了阵列喷管可以在保证流场品质的同时获得较好的混合效果。当试验段位于阵列喷管出口下游1.5m位置处，能够获得基本均匀的预混来流，而在不同流向位置处可以进行不同混合程度的斜爆震试验。试验结果也表明了所提出的斜爆震驻定增强方法的有效性以及斜爆震对部分预混气流具有良好的适应性。在国内外首次获得了Ma8.0近真实条件（对应直连式试验来流约为Ma4.0）下长时间稳定驻定的斜爆震。