[發明專利]一種壁面噴注氣態燃料與超聲速來流混合效率的測量方法

有效

• 申請號: 202110522048.9
• 申請日: 2021-05-13
• 公開（公告）號: CN112944396B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 李西鵬;潘余;王寧;趙玉新;劉衛東
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: F23R3/28
• 分類號: F23R3/28;G06F17/15
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本申請涉及一種壁面噴注氣態燃料與超聲速來流混合效率的測量方法，所述方法包括：在超燃沖壓發動機的燃燒室出口的中心軸線處獲取超聲速來流在壁面氣態燃料噴注前后的總焓差值，根據總焓差值評估超聲速來流在超燃沖壓發動機燃燒室中與氣態燃料的混合效率。基于這一方法，可以通過簡單的測量和計算快速定性評估燃燒室中燃料和氣流的混合效率，以及評估在燃燒室中各位置燃料和氣流的混合效率，具有計算方式簡單、響應頻率快、方便快捷等優點，能夠快速評估燃料噴注方案的優劣，并根據評估結果對燃料噴注方案進行優化與迭代。

技術領域

本申請涉及超燃沖壓發動機燃燒室設計與性能評估技術領域，特別是涉及一種壁面噴注氣態燃料與超聲速來流混合效率的測量方法。

背景技術

超燃沖壓發動機是吸氣式高超聲速飛行器的核心動力裝置，其技術的先進性與成熟度決定了高超聲速飛行器的性能。燃燒室作為發動機的關鍵部件，燃燒性能的優劣決定了發動機的推力性能與比沖，因此是發展吸氣式高超聲速飛行器的重中之重。

超燃沖壓發動機燃燒室入口氣流為超聲速，氣流在燃燒室的駐留時間在10^-4~10^-3s量級（氣流速度在10³m/s量級，燃燒室長度在1m量級）。在超燃沖壓發動機燃燒室內，燃料通常采用壁面噴注的方式與超聲速高焓來流混合，進而發生燃燒化學反應，燃燒室壁面噴注的燃料在超聲速氣流中的化學反應時間與氣流駐留時間在同一量級。因此超燃沖壓發動機燃燒室內的燃燒化學反應由燃料與超聲速高焓來流的混合狀態決定。如何衡量壁面噴注氣態燃料與超聲速來流的混合效率對于設計發動機燃料噴注方案，提高燃燒室性能意義重大。

目前常用實驗與數值模擬兩種方法來評估超聲速高焓來流中燃料混合效率。論文《Fuel–Air Mixing Experiments in a Directly Fueled Supersonic CavityFlameholder》中提出將混入丙酮蒸氣的氮氣作為發動機燃料的替代組分噴入燃燒室，利用丙酮在紫外激光的照射下發出熒光的特性對替代燃料在燃燒室內的分布進行成像，進而定性地觀察燃料與來流的混合狀態。在這一方式中，混入丙酮蒸氣的替代燃料與發動機的真實燃料在分子摩爾質量與擴散速率方面存在差異，因此不能真實反映燃料在燃燒室內的分布；此外，實驗需要丙酮發生器、紫外激光器、光路傳輸裝置以及增強型相機等設備，系統復雜；同時受激光器激發頻率的限制，圖像采樣頻率較低，一般在100Hz以下。

論文《Numerical Predictions of Mixing in a Supersonic CavityFlameholder》采用數值模擬的方法計算燃料在超聲速氣流中的分布，湍流模型采用混合雷諾平均/大渦模擬方法，在三維的計算區域內對流場的組分分布進行非穩態求解，進而將瞬態結果取平均得到燃料在燃燒室內的平均分布，再通過后處理手段得到燃料的混合效率。在這一方式中必須考慮湍流模型的準確性，而現有的各種湍流模型均無法準確模擬超燃沖壓發動機燃燒室內的湍流輸運過程，導致模擬結果與真實情況存在差異。此外，大尺度的三維數值模擬需要龐大的計算資源，且耗時較長，不利于燃料噴注方案的快速迭代與優化。

發明內容

基于此，有必要針對上述技術問題，提供簡單、快捷的一種壁面噴注氣態燃料與超聲速來流混合效率的測量方法。

一種壁面噴注氣態燃料與超聲速來流混合效率的測量方法，包括：

在超燃沖壓發動機的燃燒室出口的中心軸線處獲取超聲速來流在壁面氣態燃料噴注前后的總焓差值，根據總焓差值評估超聲速來流在超燃沖壓發動機燃燒室中與氣態燃料的混合效率。

其中一個實施例中，在超燃沖壓發動機的燃燒室出口的中心軸線處獲取超聲速來流在壁面氣態燃料噴注前后的總焓差值的步驟包括：

當未進行壁面氣態燃料噴注時，在超燃沖壓發動機的燃燒室出口的中心軸線處獲取超聲速來流的滯止壓力值和熱流值，根據獲取到的滯止壓力值和熱流值得到未進行壁面氣態燃料噴注時超聲速來流的總焓值。