点火延迟对超燃燃烧室宽速域燃烧性能的影响机制研究

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超燃冲压发动机燃烧室的核心难点之一是点火和燃烧的问题。大量研究表明:不同的燃料由于其物理和化学特性不同,对超燃燃烧室的燃烧性能具有巨大影响。而燃料点火延迟时间是燃料化学反应动力学特性的重要研究参数之一,对燃烧性能有着极为重要的影响。但是目前的研究对燃料的选取仅仅只是针对自然界已有的或普遍使用的燃料进行研究,对于点火延迟对燃烧特性的影响机制的认识十分有限。因此需要对燃料连续可变的点火延迟对燃烧性能的影响机制进行研究。同时,宽速域飞行的超燃冲压发动机成为目前的研究趋势,以往的研究仅针对单一的飞行工况,宽速域的工况对燃烧提出了更加严苛的要求:需要在大范围的来流速度、温度、压力的燃烧室环境下实现可靠点火和高性能的燃烧,因此为了满足宽速域飞行的需求,就必须研究在宽速域下燃料连续可变的点火延迟对燃烧性能的影响机制。本文选取已有详细飞行数据的Hyshot-Ⅱ为研究的基准模型,应用不确定量化分析方法构建超燃冲压发动机的燃料点火延迟模型,通过RANS方法进行了一系列的数值计算研究,具体的研究内容及结果如下:首先基于不确定量化分析方法,建立起燃料点火延迟时间模型,并通过与CHEMKIN软件计算结果进行对比分析,发现点火过程吻合较好,说明了建立该模型的可靠性。其次基于燃料点火延迟模型,建立起燃料点火延迟时间与超声速燃烧性能的关系——燃料点火延迟时间-燃烧效率特性曲线(简称燃烧特性曲线)。研究结果表明:随着燃料点火延迟时间的增加,燃烧效率存在两个清晰的拐点,并以此构成三个不同的特征区域,分别将其命名为极限区、敏感区和临界区,说明燃料的点火延迟时间特性对燃烧性能起着不同程度的调控作用。并通过研究发现采用双孔射流并不会改变燃烧效率随燃料点火延迟时间的特性规律。最后在宽马赫数范围下,初步研究来流马赫数对燃烧性能的影响,即研究来流总温对燃烧性能的影响。通过研究发现:随着飞行马赫数的降低,燃烧效率极限可以进一步提升,点火延迟对燃烧性能影响占比越来越大;当来流总温低于一定温度(1400K)时,会出现热壅塞的模态转换现象。通过对目前碳氢燃料所处的水平进行缩短点火延迟时间的改进,可以实现最大55.4%的燃烧效率增益。本文研究了燃料点火延迟对宽速域燃烧性能的影响机制,初步建立起完整的燃料调控燃烧性能的规律认识。本文的创新性在于:在应用不确定量化分析方法构建燃料点火延迟时间模型的基础上,初步得到了在宽速域下基于燃料点火延迟的燃烧性能调控规律。
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