利用三维进气道出流的涡特征提升超燃燃烧室喷射和掺混特性研究

Three-dimensional hypersonic inlet is an ideal inlet configuration for hypresonic scramjet systems. However, according to the conventional evaluation, three-dimensional inlet has a disadvantage in outflow inhomogeneous since there are always two typical low speed regions in the upper corner of the exit plane. Previous investigation in scramjet combustor indicates that a well organized inflow vortex flow pattern is helpful to enhance the fuel injection and mixing efficiency. This proposal therefore suggests an integration design between a three-dimensional inlet and the scramjet combustor. The main idea is to place the injection portholes properly by taking advantage of the available low speed regions as well as the vortex characteristics at the inlet exit. A good usage of the inflow vortex characteristics could enhance the fuel injection and mixing capability, which finally results in the improvement of the scramjet propulsion system's performance. Furthermore, the numeical study of the turbulence voritcal flow features in the three-dimensional inlet and scramjet combustor is also proposed, which provides a better understanding of the flow physics in three-dimensional scramjet internal flowpath.

三维高超声速进气道是一种理想的超燃冲压发动机进气布局形式。但是，按照传统评价观念，三维高超声速进气道在出口流场均匀性方面并不占有优势。此类进气道一个典型特征是出口通常存在显著的低能/低压区和复杂的角涡结构。而现有的超燃燃烧室研究表明，合理组织的燃烧室进口涡结构是有利于提高燃料喷射和掺混效率的。因此，本项目提出一类三维进气道和超燃燃烧室一体化设计概念。其核心思想是，利用三维进气道出口已有的低能/低压区和复杂的涡特征，合理配置超燃燃烧室喷嘴位置和形式，从而增强燃料喷射和掺混能力，实现下游燃烧室性能乃至冲压发动机总体性能的提升。在此基础上，对该三维进气道和超燃燃烧室通道内部的涡流动特征进行大规模数值计算，弄清全三维构型条件下复杂喷流形式的湍流流动现象和掺混的主导物理机制，为超燃冲压发动机技术的进一步发展提供理论和技术储备。

三维高超声速进气道是一种理想的超燃冲压发动机进气布局形式，但是此类进气道在出口通常存在复杂的角涡结构。而现有的关于超燃燃烧室的研究表明，合理组织的燃烧室进口涡结构是有利于提高燃料喷射和掺混效率的。因此，本项目提出一类三维进气道和超燃燃烧室一体化设计概念，并通过数值模拟方法对该一体化喷射方案和均匀来流喷射方案的喷射与掺混特性进行研究，着重分析了三维进气道已有的低能/低压区和复杂的涡特征对于燃烧室燃料掺混性能的影响，进一步弄清全三维构型条件下喷流的湍流流动现象和掺混的主导物理机制。研究结果表明：.(1) 所采用的三维进气道在设计状态下的流量系数和总压恢复系数分别为0.989和0.65，其矩形转椭圆的变截面设计以及进气道中存在的三维反射激波/壁面边界层现象能够有效地在燃烧室上游组织形成低速/低能的流向涡。.(2) 均匀来流假设下，对于确定的来流边界层，燃料喷射存在一个临界动压比。当喷射动压比低于该临界动压比时，增大来流边界层能明显提高燃料的穿透深度和掺混效率；而当喷射动压比大于该临界动压比时，来流边界层厚度对燃料的穿透深度和掺混效率几乎没有影响。喷注位置的壁面曲率对燃料掺混的影响程度与喷嘴直径相关。当喷嘴直径较大时，壁面曲率值越小，燃料的掺混效率越高；当喷嘴直径较小时，壁面曲率对燃料掺混效率和影响很小。在相同喷射动压比下，不同喷嘴直径方案的流场特征以及燃料喷射掺混特性均存在相似性。此外，通道中的激波/掺混层相互干扰会大幅降低燃料穿透深度，但产生的剧烈剪切运动能够提高燃料掺混效率。.(3) 与均匀来流假设下的喷射方案相比，进气道/燃烧室喷射方案的掺混效率和掺混速度均更高，进气道出口的涡结构特征能大幅促进超燃燃烧室中燃料掺混。剔除边界层带来的燃料掺混增益，进气道内的流向涡特征能够将燃烧室通道内的燃料掺混效率最高提升约60%。进气道/燃烧室方案的喷嘴流向位置配置取决于横向截面的有效平均涡量，喷射处横向截面的有效平均涡量越大，对应燃料喷射方案的掺混效率越高。