碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机理实验研究

随着超燃冲压发动机从实验室研究走向工程研制阶段，实际飞行条件下发动机工作的稳定性成为迫切需要解决的问题，而燃烧室火焰稳定机理、规律与控制方法等研究是其中的关键问题之一。本项目采用长时间超燃实验台与先进的光学测量手段，结合数值模拟，系统研究超声速流场中火焰的传播过程与火焰稳定模式，探索火焰稳定机理及其影响因素，发展火焰稳定性分析的理论模型；针对各种来流与燃料条件，开展凹腔等火焰稳定器的流动特性、贫富油极限规律、阻力和总压损失等方面的基础研究；依据火焰稳定原理，研究拓展燃烧稳定性范围的新方法与新技术；并初步开展变工况条件下超声速燃烧稳定性的研究。这将为超燃冲压发动机的工程设计提供理论依据与关键实验数据。

本项目通过实验和数值计算研究了碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机理。自主开发了高频脉冲纹影技术，高频脉冲纹影和平面激光诱导荧光或碳氢自由基自发辐射同步测量技术，使用这些技术成功获得了碳氢燃料超声速燃烧同一瞬态时清楚的流场和火焰结构，解析了超声速燃烧火焰动态传播过程，认识了不同稳焰模式下流场和燃烧区特点，发现了火焰在凹腔稳焰与射流尾迹稳焰两种模态之间振荡与燃料喷注处气动喉道形成与演变有密切关系。首次系统性获得了多种参数（如来流总温、总压、马赫数，燃料喷注位置，燃烧室构型等）对碳氢燃料超声速燃烧熄火极限的影响规律，掌握了碳氢燃料火焰稳定极限的特点，并基于对规律和特点的认识，提出了兼顾推力性能、火焰稳定性、燃烧室不起动和释热分布的组织燃烧策略，以及一种错位双凹腔新型燃烧室构型，使燃烧室整体性能得到了提高。提出局部补氧拓展燃烧稳定极限的新方法，极大地提高了火焰稳定性，还发现在连续稳定燃烧极限范围以外存在超声速脉冲燃烧现象，可以产生脉冲式推力。在数值研究方法方面，首次针对碳氢燃料超声速燃烧自主开发了大涡/雷诺平均数值模拟平台，其中使用部分搅拌模型解决了流动和燃烧相互作用难题，使用简化机理（如39物种及153反应的煤油简化机理）解决了由于化学反应机理所引起的不准确问题；还通过与实验燃烧静压对比验证了模拟结果。在燃气射流掺混方面，首次解析了欠膨胀射流K-H波系的实际分布特征和喷口精细结构，首次采用螺旋性的概念揭示了射流剪切层的大尺度螺旋性结构及其特点，诠释了流动失稳过程并发现涡拉伸是导致失稳的主要因素。相关研究成果已被成功用于超燃冲压发动机燃烧室的设计。