面向高性能空天动力装置的航空煤油超临界燃烧基础火焰特性的实验研究

In the new generation of aero- and astro-engines, the pressure and temperature in their combustion chamber will become higher and reach the supercritical state of aviation kerosene. There is still a lack of knowledge on basic flame characteristics of supercritical combustion, and the related researches are really challenging. To properly design the supercritical combustion chamber, the combustion characteristics, flame structure and stabilization, which combusts in supercritical environment, need to be grasped and made a foundation for the chamber design..In this project, several systems, including supercritical aviation kerosene production system, supercritical reactors and optical diagnostic platform for supercritical flames, will be established to study the minimum ignition energy, combustion lifetime, distribution of species and temperature for a single droplet of aviation kerosene and a group of droplets in a supercritical circumstance respectively; with utilization of advanced optical diagnostic technique, such as volume laser induced fluorescence, the structures of premixed/diffusion jet flame, laws of flame spreading velocities and other combustion characteristics under different injection or hot co-flow conditions for supercritical aviation kerosene in supercritical environment will be obtained; study the factors influencing the supercritical flame stabilization in a single-module combustor, and find out the influencing laws on minimum ignition energy, lifted height of jet flame and lean/rich blowout limits respectively; based on previous design experience and characteristics of supercritical combustion, formulate a series of primary rules for the design of supercritical combustion chambers..A set of supercritical combustion databases and fundamental laws will be established through this project, which will provide solid theoretical and technological supports for the development of supercritical combustion chamber.

在下一代空天发动机中，燃烧室内将会达到超临界环境。而目前关于超临界燃烧基础火焰特性的研究接近空白。为合理设计超临界燃烧室，需要掌握航空煤油在超临界燃烧环境中的行为，作为其结构设计、火焰稳定和气流分配方案设计的理论基础。.本项目以实验研究为主，基于超临界航空煤油发生系统、超临界反应釜、燃烧光学测量平台，研究航空煤油液滴（群）在超临界环境中的点火能量、燃烧寿命、组分/温度分布等；采用先进的三维光学诊断技术（VLIF），研究超临界航空煤油预混/非预混燃烧火焰结构、火焰传播速度以及不同喷射/热伴流条件下的燃烧特性；在单模块燃烧室中研究影响超临界火焰稳定的因素，得出火焰浮升高度、贫/富油熄火极限等的影响规律；参考亚临界燃烧室的设计结合超临界燃烧特性，初步得出超临界燃烧室适用的设计准则。本研究将建立航空煤油的超临界燃烧数据库，掌握燃烧基础规律，为高性能空天发动机超临界燃烧室的研制提供理论及技术基础。

针对高性能空天动力装置燃烧室中会出现的超临界燃烧环境，选取能量密度高、使用安全且目前最为广泛使用的RP-3航空煤油为研究对象，以实验研究为主，结合理论分析，系统地研究了RP-3航空煤油的超临界蒸发特性、燃烧特性和火焰稳定性，建立了火焰形态数据库，有效填补了燃烧学、工程热力学、传热学等学科的空白，具有重要的学术意义，可为未来超临界航空煤油在航发中的应用提供理论依据和技术基础。.本项目已经取得了以下系统性研究成果：1）研究了RP-3航空煤油液滴在超临界环境中的蒸发特性，获得了环境参数对液滴寿命、瞬态蒸发常数等描述液滴蒸发过程的关键参量的影响，得到了一系列定性或定量的结论，为超临界环境下的液滴燃烧研究提供了有效支持；2）研究了RP-3航空煤油的超临界燃烧特性，获得了超临界煤油扩散火焰近喷嘴膨胀模型，研究了超临界扩散火焰的卷吸层厚度变化规律，获得了超临界煤油扩散火焰CH*抬升高度随喷射压力的变化规律，基于三维重建技术研究了超临界扩散火焰的形态特征，建立了扩散火焰轴向速度计算方法；3）研究了超临界煤油扩散火焰的近喷嘴燃烧稳定性和火焰面振荡特性，获得了供给参数对航空发动机燃烧室燃烧稳定性的影响规律，基于三维重建技术研究了燃烧室中点火火核的发展过程，获得了环境参数对燃烧室贫油点火特性的影响规律。.综上所述，本项目圆满完成了既定的研究目标，获得了预期的研究成果。