超声速气流中乙烯/氢混合燃料横向射流的自点火过程与机理研究

In this project, auto-ignition and flame evolution of transverse jet of ethylene and hydrogen mixture in a supersonic crossflow is studied experimentally and numerically. Mechanisms of effects of shock structure and vortices of fuel jet on the ignition and flame is discussed, as well as the effect of the ratios of molar fraction of ethylene to hydrogen. Theoretical model is developed to describe the auto-ignition process of the fuel mixture in supersonic crossflows and the ignition limits for rich and lean fuel conditions are determined. The present work is aimed to expand the understanding of supersonic ignition of hydrocarbon fuels and provide references for the development of combustion technology for aeronautic and astronautic engines.

本项目将采用实验与数值模拟相结合的方式研究超声速气流中乙烯/氢混合燃料横向射流的自点火与火焰形成过程，获得射流波系、漩涡结构对燃料点火与火焰分布的影响机制，研究混合气中组分比对混合燃料点火性能的影响规律，最终建立乙烯/氢混合燃料自点火理论分析模型，确定贫富油点火边界，拓宽对碳氢化合物超声速点火特性的认识，为航天航空发动机燃烧技术的发展提供参考。

本项目采用实验与数值仿真相结合的方式研究超声速气流中乙烯以及乙烯/氢/甲烷混合燃料横向射流的点火过程与火焰特性。通过CH自发光成像技术较系统地研究了超声速点火与火焰演化过程，发现低、高当量比时点火过程存在显著差异、火焰呈现三角形或椭圆形分布形态。基于高频压力测量的频谱分析结果，发现了火焰脉动的低中特征频率（50-300Hz），并通过大涡模拟结果对特征频率的产生机制进行了解释，改进了已有的热声耦合模型。同时，大涡模拟结果显示乙烯及其混合燃料的点火过程存在显著的空间差异。燃烧室近侧壁区域，由于存在大尺度旋涡与激波，导致局部燃烧剧烈，出现了激波前传现象。本项目取得了一系列重要的实验与数值研究结果，对于深入了解超声速点火过程与机理提供有益的参考，为燃烧室燃烧性能的优化设计提供理论与数据支持。