空气节流对双模态冲压发动机燃烧模态形成与转换影响研究

Dual-mode scramjet has a good thrust performance in the wide range of flight Mach number. A new method based on air throttling is proposed for influencing the combustion mode formation and transition without changing inflow condition, fuel injected condition and combustor structure. The effects of air throttling on non-reacting flow structure, combustion mode formation and transition are investigated by experiments and CFD methods. Various measurements are made during the experiments in an attempt to better understand the combustion flowfield, including among these measurements are several non-intrusive approached (Schlieren, interferometry, flame emission and OH-PLIF) that reveal interesting features about the reacting flowfield. Also the effects of air throttling on combustion mode formation and transition are studied when the inflow condition, fuel injected condition, operation sequence and air throttling parameters are changed. Finally, the effects of air throttling on combustion mode formation and transition are summarized in the report, the idiographic parameters of air throttling for the typical inflow condition are also given.

为使超燃冲压发动机能在较宽的飞行马赫数范围内具有良好的推进性能，冲压发动机燃烧室应以双模态燃烧模式工作。本项目提出了一种新的基于空气节流技术影响燃烧模态形成与转换的方法，该方法的优点是不需要改变来流条件、喷油条件和发动机构型。在飞行马赫数4~6范围内，本项目将采用试验与数值模拟相结合的研究手段，并采用多种非接触光学测量方法（纹影、差分干涉、直接照相以及OH-PLIF），研究空气节流对超燃冲压发动机冷流流场结构、燃烧模态形成以及燃烧模态转换的影响。另一方面将考察不同来流条件、不同喷油条件、不同节流时序、不同节流位置以及不同节流流量时空气节流对燃烧模态形成与转换的影响。最后给出空气节流对燃烧模态形成与转换的影响规律，并针对典型状态给出影响模态形成与转换的具体节流参数。

针对空气节流对超燃冲压发动机燃烧模态形成与转换的影响，分别开展了来流马赫数2.0、2.5和3.0的状态研究。针对Ma2.0的研究状态详细开展了数值模拟和实验研究，获得了空气节流对超燃冲压发动机流场结构影响规律。结果表明：当节流流量比为27.2%，节流位置为525 mm时，由于空气节流产生的激波串作用，激波串作用区域，马赫数降低明显，静温升高明显。实施空气节流时对比无空气节流时，流场内激波串作用区域的长度为190 mm，流动区域的质量加权马赫数由1.8下降至0.9，下降幅度为50%。激波串作用区域的平均静温由600 K提高到了770 K，提升幅度约为28.3%。平均静压由103 kPa提高到了285 kPa，提升幅度约为176.7%。无空气节流时，由于下壁面稳焰失败，燃料仅在发动机上壁面燃烧，发动机燃烧室的燃烧模态为超燃模态。有空气节流时，由于空气节流堵塞效应的影响，发动机下壁面燃料可以稳定的燃烧，燃烧室火焰位于发动机上下壁面，燃烧室燃烧模态为亚燃模态。在超燃模态条件下可以通过实施空气节流，促使下壁面熄灭的火焰重新稳定燃烧，燃烧模态由超燃转变为亚燃。在获得Ma2.0的来流条件的结果基础上，开展Ma2.5和Ma3.0的来流条件影响研究。研究表明，当实施20%的入口空气节流流量时，低马赫数来流条件受空气节流影响效果更大。当入口马赫数为3.0时，空气节流仅对燃烧模态的形成有影响，对燃烧模态的转换没有影响。通过本项目的研究表明：空气节流是一种重要的影响燃烧模态形成与转换的方法，可以为超燃冲压发动机提供一种燃烧控制手段。