基于中心薄支板稳燃的光滑壁面超声速燃烧室火焰稳定机理及其传播特性研究

Scramjet is the best propulsion device for the hypersonic vehicle within the atmosphere, and the overall performance of its key component combustor is of a great importance. In order to achieve the efficiency combustion in the supersonic combustor, a flame holder is necessary, for it can generate a relative large scale recirculation zone to sustain the global combustion. A new designed thin strut is put forward by the applicant to achieve the combustion organization in the flush wall supersonic combustor. With the help of the method, the combustion performance, the total-pressure loss and the wall thermal load will be coordinated with each other, then the overall performance of the combustor will be improved further. Some investigations have been conducted to analysis the strut characteristics, and a stable combustion is established in the combustor in a wide range of the flight Mach number, while little study is related to the flame stabilization mechanism and flame propagation characteristics. In this project, the thin strut is equipped in a flush wall supersonic combustor. The advanced combustion flow field diagnostic technology and the high precision experiment method are adopted to investigate the flame characteristics in the supersonic combustor. The flame establishment process and the stabilization mechanism will be brought to light. The success ignition and the flame stabilization boundary will be probed in different experimental conditions. Further, the flame propagation characteristics and the combustion/flowing interaction mechanism will also be paid attention on. With the help of the above mentioned studies, the optimization of the combustion organization will be achieved.

超燃冲压发动机是大气层内高超声速飞行的最佳动力装置，超声速燃烧室作为超燃冲压发动机关键部件对其综合性能至关重要。为了实现超声速燃烧室中的稳定高效燃烧，需要合理的设计稳燃器，申请人提出一种基于中心薄支板稳焰的光滑壁面超声速燃烧组织方式，该燃烧组织方式可有效解决燃烧室性能、总压损失和壁面热载荷之间的矛盾。前期针对该燃烧组织方式进行了初步探索研究，实现了宽马赫数范围内的可靠点火和稳定燃烧，但对其火焰稳定机理和火焰传播特性方面的研究并不深入。本项目拟以光滑壁面超声速燃烧室中的中心薄支板稳燃器为研究对象，采用先进的燃烧内流场非接触诊断技术和高精度实验相结合的技术途径，研究高焓超声速气流中的燃烧过程，探索中心薄支板点火和火焰稳定机理，获取不同来流条件下的点火边界和火焰稳定边界，发现高焓超声速气流中燃烧建立过程中的火焰传播规律，为该燃烧组织方案的进一步优化提供理论基础。

超声速燃烧室是超燃冲压发动机主要部件之一，其能否实现高效运行直接关系到了发动机整体是否具有较高的性能。超声速燃烧室中燃料在燃烧室中停留时间为毫秒量级，实现燃烧组织极其困难。为了实现超声速燃烧室燃烧组织优化和性能提升，需要对燃烧室中的火焰特性有深入的了解。本项目针对现有的超声速燃烧室中心薄支板稳燃策略，开展超声速气流中火焰基本特性的研究，并具体开展如下几方面的研究工作：.1) 对支板作用下超声速燃烧室点火方案进行了优化，并分析了不同因素对点火过程特性的影响规律。对火焰建立过程中的点火、火焰稳定、熄火三个阶段进行了特性分析，发现了火焰建立过程不同当量比工况下出现了上游传播模式和下游传播模式两种基本模式，不同模式的出现与燃料的预混特性有关；基于此分析了超声速气流中火焰建立过程特性，发现火焰建立前期存在明显的能量累积依赖现象。.2) 对火焰稳定之后的火焰形态及火焰稳燃机理进行了分析。燃烧室的火焰可以分成局部火焰形态和整体火焰形态，燃油当量比和补氧流量都会对燃烧室火焰形态产生影响；发现了火焰稳定之后存在主燃烧区、富油扩散火焰区和富氧扩散火焰区三个基本区域；发现了在火焰稳定之后会出现火焰吹脱现象，通过实验发现了出现火焰吹脱现象的基本条件，并初步揭示了火焰吹脱现象的产生机理。.3) 对基于支板稳燃的火焰传播及火焰震荡现象进行了分析。通过对实验过程中火焰面积的高频变化曲线，发现了火焰稳定之后会出现周期性低频震荡（频率30Hz）和高频震荡（频率1kHz），通过改变补氧流量、燃烧室燃油当量比，分析并得到了各个变量对火焰震荡周期、火焰震荡振幅的影响规律；在当量比线性增加的实验中，发现了火焰面积存在明显的从小幅震荡到大幅震荡的转换过程，通过对实验过程中燃烧室中马赫数分析，发现了该转换过程与燃烧模态的模态转换过程相对应，即超燃模态和亚燃模态中火焰震荡特性也存在明显的差异，进一步提出了中心火焰震荡的抑制方法。