一種拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法，包括：針對超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)的穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，確定火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域、火焰駐扎基點以及回流區(qū)結(jié)構(gòu)；對所述穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)的火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域噴注氧氣，同時避免破壞原有的火焰駐扎基點和回流區(qū)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實現(xiàn)簡單，操作控制方便，且氧氣用量少，可用于超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中火焰的穩(wěn)定。
【專利說明】一種拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及超燃沖壓發(fā)動機，特別涉及一種拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)火焰穩(wěn)定對于超燃沖壓發(fā)動機正常運行是十分重要的。在超聲速氣流條件下，能夠維持火焰穩(wěn)定燃燒的范圍很窄，隨著馬赫數(shù)的增加，范圍會變得更窄。而且，超燃沖壓飛行器在飛行器的加速、減速、巡航與機動等過程中，燃燒室入口來流條件可能存在漸變或周期性變化。這些變化會引起流場結(jié)構(gòu)、燃料與空氣混合和化學反應特性的變化，進而容易超出穩(wěn)定燃燒范圍，造成發(fā)動機熄火，引發(fā)惡性事故。
[0003]已經(jīng)發(fā)展的增加超聲速燃燒火焰穩(wěn)定性的方法主要包括:增加穩(wěn)焰機構(gòu)，如凹腔、支板等，通過形成回流區(qū)來降低流速，增加流動特征時間；改進燃料噴注方式，如支板噴注、斜坡噴注等，形成反向旋轉(zhuǎn)渦結(jié)構(gòu)和回流區(qū)，增強油氣混合程度；使用化學方法，如等離子體射流、引導火焰、添加活性物質(zhì)、催化劑和改善局部燃料當量比，此類方法多通過產(chǎn)生大量化學活性物質(zhì)，如處于激發(fā)態(tài)的分子和自由基，改善火焰穩(wěn)定性。當前，雖然穩(wěn)焰機構(gòu)已廣泛使用，但是穩(wěn)焰范圍仍然有限；另外，化學方法因為基本上都需要引入巨大能量源，實用性還不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中火焰的穩(wěn)定。
[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法，包括:
[0006]針對超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)的穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，確定火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域、火焰駐扎基點以及回流區(qū)結(jié)構(gòu)；
[0007]對所述穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)的火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域噴注氧氣，同時避免破壞原有的火焰駐扎基點和回流區(qū)結(jié)構(gòu)。
[0008]優(yōu)選地，所噴注的氧氣噴注量大于等于3%，所述氧氣噴注量為噴注氧氣的流量與來流空氣中氧氣流量之間的百分比。
[0009]本發(fā)明采用的方法是通過直接向火焰駐扎區(qū)域噴注氧氣，造成局部富氧環(huán)境，增強了局部化學反應速度和釋熱強度，將更多的能量傳遞給超聲速主流，極大地拓展了超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限。本發(fā)明提供了氧氣噴注位置選擇方法，即噴注到火焰最穩(wěn)定駐扎的一個區(qū)域，同時避免破壞原有火焰駐扎點和回流區(qū)結(jié)構(gòu)。遵照此方法，只需噴注少量氧氣就能達到很好的穩(wěn)焰效果。本發(fā)明實現(xiàn)簡單，操作控制方便，且氧氣用量少，可用于超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中火焰的穩(wěn)定?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實施例的凹腔穩(wěn)焰器與氧氣噴注位置；
[0011]圖2為本發(fā)明實施例的穩(wěn)焰極限的拓展結(jié)果。
【具體實施方式】
[0012]下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。
[0013]本發(fā)明提供了一種通過直接向火焰駐扎區(qū)域噴注氧氣，形成局部富氧環(huán)境，簡單并有效地實現(xiàn)超聲速燃燒穩(wěn)焰極限拓展的方法。
[0014]本發(fā)明的理論基礎:從分子碰撞理論出發(fā)，通過在燃料一定的單位空間內(nèi)，加入氧氣，提高氧氣濃度，增加燃料分子與氧氣的碰撞幾率，有助于化學反應的進行。本方法突破了一般性認識，即局部燃料當量比對火焰穩(wěn)定至關(guān)重要，如在貧油熄火極限處，局部當量比下降會引起火焰熄滅。在添加氧氣這種情況下，雖然燃料局部當量比會降低，氧氣濃度增力口，會擴展穩(wěn)定燃燒的極限。這也是本方法與美國空軍研究室向凹腔穩(wěn)焰器內(nèi)噴注空氣和燃料方法的一個根本性的區(qū)別。美國空軍研究室的方法是通過控制空氣和燃料的量，在穩(wěn)焰范圍內(nèi)調(diào)節(jié)局部當量比來改善火焰穩(wěn)定性，從本質(zhì)上說沒有拓展穩(wěn)焰范圍。
[0015]本發(fā)明實施例的拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法，包括如下步驟:
[0016]步驟1，針對超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)的穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，確定火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域、火焰駐扎基點以及回流區(qū)結(jié)構(gòu)；
[0017]步驟2，對所述穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)的火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域噴注氧氣，同時避免破壞原有的火焰駐扎基點和回流區(qū)結(jié)構(gòu)。
[0018]在步驟2中，所需噴注的氧氣量少，只需大于等于3%即可，所述氧氣噴注量為噴注氧氣的流量與來流空氣中氧氣流量之間的百分比。
[0019]以下以超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)常用穩(wěn)焰器一凹腔為例，介紹局部富氧方法的具體實施步驟。
[0020]首先，針對凹腔這種穩(wěn)焰器，分析存在穩(wěn)焰模式，氧氣向最穩(wěn)定的穩(wěn)焰區(qū)域噴注。國際上超聲速燃燒穩(wěn)焰研究最新進展表明，對于常用的凹腔穩(wěn)焰器，隨著來流總溫的升高，燃燒室內(nèi)火焰依次呈現(xiàn)以下穩(wěn)定模式:“凹腔穩(wěn)焰模式”，“在凹腔與射流尾跡振之間振蕩穩(wěn)焰模式”和“射流尾跡穩(wěn)焰模式”。因為射流尾跡空間位置并非固定，且對來流總溫要求高，所以“凹腔穩(wěn)焰”是更為穩(wěn)定的。氧氣噴注位置首先定在凹腔內(nèi)。
[0021]其次，針對凹腔這種穩(wěn)焰器，分析火焰穩(wěn)定基點，噴注點需避開火焰基點?！鞍记环€(wěn)焰模式”的火焰穩(wěn)定基點在凹腔的前臺階處。我們直接從圖1中的第二位置點2處，向火焰基點附近噴注氧氣，期望如此可以增強基點的穩(wěn)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果并不理想。主要原因應該是氧氣噴注沖擊了火焰基點，造成一定程度的不穩(wěn)定。圖1中的第一位置點I處噴注，一定程度上也存在這個問題。因此，火焰基點附近并非最佳噴注位置。
[0022]再次，針對凹腔這種穩(wěn)焰器，分析回流區(qū)結(jié)構(gòu)，氧氣噴注不破壞回流區(qū)整體結(jié)構(gòu)。圖1顯示了凹腔穩(wěn)焰器的回流區(qū)位置，可以看出第三位置點3和第四位置點4都不對回流區(qū)造成明顯破壞，均可以用于氧氣噴注。我們使用力學所直聯(lián)式超聲速燃燒試驗臺，在來流空氣馬赫數(shù)3.0，總壓2.40-2.50MPa，總溫1200-2000K條件下，測試了從第三位置點3處噴注氧氣對穩(wěn)焰極限的拓展能力。圖2顯示了結(jié)果，可以看出，只需要噴注少量氧氣，造成局部富氧環(huán)境，就可以將貧油熄火極限從總包當量比0.3-0.4拓展到0.15或更低。由于儀器限制，低于當量比0.15的試驗沒有進行。
[0023]綜合上面分析和測試，明確了氧氣噴注位置的原則，即噴注到火焰最穩(wěn)定駐扎的一個區(qū)域，同時避免破壞原有火焰駐扎點和回流區(qū)結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明采用噴注氧氣的流量與來流空氣中氧氣流量之間的百分比來量化氧氣噴注量。我們從第三位置點3處噴注不同量的氧氣，測試合適的氧氣噴注量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧氣量3%與5%時，都能在原本無法穩(wěn)焰的情況下將火焰穩(wěn)住，且產(chǎn)生相同的燃燒靜壓，這表明所需噴注的氧氣量很少，只需大于等于3%即可。
[0025]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種拓展超聲速燃燒火焰穩(wěn)定極限的方法,其特征在于,包括: 針對超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)的穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，確定火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域、火焰駐扎基點以及回流區(qū)結(jié)構(gòu)； 對所述穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)的火焰最穩(wěn)定駐扎區(qū)域噴注氧氣，同時避免破壞原有的火焰駐扎基點和回流區(qū)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所噴注的氧氣噴注量大于等于3%，所述氧氣噴注量為噴注氧氣的流量與來流空氣中氧氣流量之間的百分比。
【文檔編號】F23R3/00GK103499106SQ201310410973
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】張?zhí)┎? 王晶, 范學軍 申請人:中國科學院力學研究所