CN106352372B - 一种超声速爆震燃烧室及其起爆与自持控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声速爆震燃烧室及其起爆与自持方法，采用凹腔结构和扩张型面，同时在凹腔上游壁面安装一个热射流爆震起爆系统，可以完整实现超声速来流的爆震起爆与自持传播控制功能。热射流喷注到超声速来流中首先诱导形成一道弓形激波，其后会形成亚声速通道，热射流下游的凹腔内部形成的压力震荡通过亚声速通道作用于上游弓形激波，进而促使弓形激波强度增强，从而加速爆震起爆的实现。
Description
技术领域
本发明涉及超声速来流条件下爆震起爆与稳定自持传播，尤其涉及超声速爆震发动机的设计与实现。
背景技术
目前在世界范围内研发的超声速爆震燃烧室及起爆与自持方法还很少见，一方面因为爆震研究当前主要集中于静止气中，另一方面在超声速来流条件下开展爆震起爆与自持研究难度相当大。在静止气中采用热射流进行爆震起爆已有相关报道[1-8]，通过强射流在静止气中实现爆震直接起爆。然而超声速来流同静止气有明显区别，且相关研究相对很少，没有相关专利。此外，对于超声速来流条件下爆震的自持传播控制的研究则更少，也没有任何专利报道。
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现有在静止气中采用热射流进行起爆的设计，对热射流的能量要求非常高，这样采用有效实现爆震快速起爆。通常情况下，在实际应用中获取高能量的热射流难度比较大，应用起来相对不是很方便。
发明内容
为了克服现有爆震起爆的技术缺陷，在本发明中，借助于凹腔与扩张型面的作用，采用相对较少能量的热射流就可以成功实现超声速来流条件下的爆震起爆，对热射流能量要求较低，使得爆震成功起爆更加容易。此外，在凹腔和扩张型面的共同作用下，爆震波面能够基本稳定在一定范围内，在超声速来流条件下实现相对驻定自持传播，从而能够稳定应用于爆震发动机中。
本发明的方法设计中主要采用一个凹腔结构(下壁面)和一个扩张型面(上壁面)，同时在凹腔上游壁面安装一个热射流爆震起爆系统，这种结构可以完整实现超声速来流的爆震起爆与自持传播控制功能。热射流喷注到超声速来流中首先会诱导形成一道弓形激波，其后会形成亚声速通道。热射流下游的凹腔内部形成的压力震荡通过亚声速通道作用于上游弓形激波，进而促使弓形激波强度增强，从而加速爆震起爆的实现，而改变热射流同凹腔的距离则会控制爆震起爆的进度。单纯的凹腔设计会使得爆震过驱前传，而在上壁面设计一个扩张型面则会在超声速来流中形成膨胀波系，对过驱爆震产生衰减作用，抑制爆震波的前传。通过改变凹腔的尺寸以及扩张型面的角度，最终实现爆震波的相对稳定自持传播。
爆震过驱是指定压力和温度条件下的特定混合物都有一个特定的CJ爆震速度，这是由混合物自身特定决定的。然而，当由于外在原因使得爆震的传播速度大于这个特定的CJ爆震速度，则称这个爆震为爆震过驱。
热射流喷注入超声速流中后，流场中会诱导形成弓形激波。等直管道中，弓形激波的强度则由热射流参数，超声速来流参数，热射流孔径等共同决定。当在热射流下游设置凹腔结构时，凹腔内部燃烧产生的压力震荡会通过亚声速通道作用于上游热射流诱导的弓形激波，从而强化弓形激波强度，使得热射流起爆相对更加容易。调整扩张型面的角度θ(θ范围为0°～10°，扩张角度过大可能会导致爆震快速熄爆)也能够改变诱导的弓形激波在上壁面形成的反射激波的强度，从而也能一定程度控制热射流起爆。改变热射流和其下游凹腔结构之间的距离则能够控制热射流起爆的快慢。对于超声速来流中爆震波的传播，通过凹腔尺寸和扩张型面角度的调节，可以实现爆震相对稳定的自持传播。
本发明的整体组成结构主要包括热射流起爆、凹腔设置和扩张壁面。
在圆形管道中通过氧化剂和可燃气接口充填氧化剂和可燃气(比如氢气和氧气)，经过一定时间混合后采用火花塞点，预混气经点火燃烧形成高温高压产物，通过一个收缩通道高速喷出之后形成热射流。为了加快湍流热射流的形成，在热射流管中加入扰流丝能够促进管内的火焰加速过程，一定程度上能够增强热射流的强度。
热射流喷入超声速预混来流中首先诱导形成弓形激波，随着弓形激波的逐渐增强，同上壁面发生碰撞形成马赫反射。马赫反射中马赫干实质为局部马赫爆震，从而首先实现流场中爆震起爆。改变热射流管中可燃气和氧化剂的当量比，压力，热射流出口的管径X2，就可以整体控制热射流强度；而改变热射流同入口处的距离X1，以及扩张壁面的角度θ，则可以改变扩张壁面马赫反射的强度，从而通过控制热射流强度和扩张壁面马赫反射强度能够起到综合控制爆震起爆。
凹腔能够通过自身的凹腔震荡以及反馈机制实现燃烧的稳定控制，这种火焰稳定机制在超燃冲压发动机中得到了广泛的应用。凹腔根据长深比L/D的大小，可以将凹腔分为浅凹腔和深凹腔，而不同类别的凹腔有的不同的性质特点。浅凹腔条件下，改变凹腔的深度几乎对凹腔振荡没有影响；而对于深凹腔，在特定流场条件下能够作为一个凹腔共振器从而产生共振振荡，对于爆震起爆传播的影响相对强一些。本发明专利中采用浅凹腔和深凹腔均能加速实现爆震起爆以及传播控制。
热射流喷注到超声速来流中后诱导形成弓形激波，而在其下游凹腔内部低速燃烧产生强烈的压力波动。因为燃烧的存在弓形激波和凹腔之间形成一个亚声速通道，而凹腔内部形成的压力波则能够通过这个亚声速通道前传，最终作用于前方弓形激波。通过这种周期反复的激励作用，弓形激波强度逐渐增强。因为凹腔的存在而产生的激励作用使得弓形激波强度增强，相当于间接强化了热射流的强度，因而进而可以加速实现爆震起爆。所以，在爆震管道中添加凹腔设置之后，采用相对能量更弱的热射流都有可能成功实现爆震起爆。
此外，凹腔产生的压力波激励需要经过一定的时间才能施加于上游弓形激波，因此控制凹腔与热射流之间的距离X3能够有效控制凹腔激励的强度，从而间接控制热射流起爆的进程。
在扩张壁面的作用下，扩展管道中的超声速可燃气流场首先形成一个普朗特-迈耶膨胀扇结构(Prandtl-Meyer expansion fan)，其由有限的膨胀波组成。膨胀扇结构的形成将超声速可燃气流场分为三个部分：初始超声速可燃气来流、膨胀扇内部流场、以及跨过膨胀扇影响的来流。跨过膨胀扇的来流紧邻扩张壁面，其速度、马赫数增大，而密度、温度和压力降低，与膨胀扇内部流和初始来流一起在流场中形成不均匀可燃气来流。
增大扩张壁面角度使得壁面下方流场的速度、马赫数进一步增大，而密度、温度和压力则进一步降低。相反，减小扩张壁面的角度则能够减小壁面下方流场的速度、马赫数，而增加其密度、温度和压力。
热射流喷注进扩张管道(扩张管道：扩张壁面作为上壁面，与等直下壁面一起构成扩张管道)后，诱导形成弓形激波并且在上扩张壁面产生反射。扩张壁面导致的不均匀来流，会改变初始超声速可燃气来流状态，从而能够影响热射流诱导的弓形激波在上壁面形成马赫反射的强度，同时也会影响爆震起爆之后在不均匀来流中的传播模态。
在来流条件下一定的情况下，改变扩张壁面的扩张角能够直接改变紧邻壁面下方的流场状态，从而能够控制热射流起爆以及爆震自持传播的模态。
与现有最好技术相比，本发明的优点在于：
超声速流场中采用热射流起爆可以实现灵活控制，通过热射流的阀门的开关可以实现对热射流的控制，从而间接控制超声速流场中爆震的起爆和传播。
凹腔的设置可以加速超声速场的热射流起爆，通过改变凹腔尺寸和凹腔同热射流之间的距离可以总体控制起爆过程的快慢和过驱爆震的过驱度。
扩张壁面的设置提供了爆震起爆和传播控制的新的途径，通过改变扩张壁面的角度可以有效控制爆震的起爆和传播模态
三种设置综合起来提供了超声速流场中爆震起爆和自持控制的一种崭新方案。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
附图说明
图1为超声速凹腔扩张燃烧室及热射流起爆系统结构；
图2为热射流管示意图；
图3为热射流起爆示意图；
图4为凹腔压力波作用示意图；
图5为扩张壁面示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的整体组成结构主要包括热射流起爆、凹腔设置和扩张壁面。
在圆形管道中通过氧化剂和可燃气接口充填氧化剂和可燃气(比如氢气和氧气)，经过一定时间混合后采用火花塞点，预混气经点火燃烧形成高温高压产物，通过一个收缩通道高速喷出之后形成热射流，其热射流管示意图如图2所示。为了加快湍流热射流的形成，在热射流管中加入扰流丝能够促进管内的火焰加速过程，一定程度上能够增强热射流的强度。
热射流喷入超声速预混来流中首先诱导形成弓形激波，随着弓形激波的逐渐增强，同上壁面发生碰撞形成马赫反射。马赫反射中马赫干实质为局部马赫爆震，从而首先实现流场中爆震起爆，如图3所示。改变热射流管中可燃气和氧化剂的当量比，压力，热射流出口的管径X2，就可以整体控制热射流强度；而改变热射流同入口处的距离X1，以及扩张壁面的角度θ，则可以改变扩张壁面马赫反射的强度，从而通过控制热射流强度和扩张壁面马赫反射强度能够起到综合控制爆震起爆。
凹腔能够通过自身的凹腔震荡以及反馈机制实现燃烧的稳定控制，这种火焰稳定机制在超燃冲压发动机中得到了广泛的应用。凹腔根据长深比L/D的大小，可以将凹腔分为浅凹腔和深凹腔，而不同类别的凹腔有的不同的性质特点。浅凹腔条件下，改变凹腔的深度几乎对凹腔振荡没有影响；而对于深凹腔，在特定流场条件下能够作为一个凹腔共振器从而产生共振振荡，对于爆震起爆传播的影响相对强一些。本发明专利中采用浅凹腔和深凹腔均能加速实现爆震起爆以及传播控制。
热射流喷注到超声速来流中后诱导形成弓形激波，而在其下游凹腔内部低速燃烧产生强烈的压力波动，如图4(a)所示。因为燃烧的存在弓形激波和凹腔之间形成一个亚声速通道，而凹腔内部形成的压力波则能够通过这个亚声速通道前传，最终作用于前方弓形激波，如图4(b)所示。通过这种周期反复的激励作用，弓形激波强度逐渐增强。因为凹腔的存在而产生的激励作用使得弓形激波强度增强，相当于间接强化了热射流的强度，因而进而可以加速实现爆震起爆。所以，在爆震管道中添加凹腔设置之后，采用相对能量更弱的热射流都有可能成功实现爆震起爆。
此外，凹腔产生的压力波激励需要经过一定的时间才能施加于上游弓形激波，因此控制凹腔与热射流之间的距离X3能够有效控制凹腔激励的强度，从而间接控制热射流起爆的进程。
图5展示了初始超声速来流在扩张壁面作用下的发展结果。在扩张壁面的作用下，扩展管道中的超声速可燃气流场首先形成一个普朗特-迈耶膨胀扇结构(Prandtl-Meyerexpansion fan)，其由有限的膨胀波组成。膨胀扇结构的形成将超声速可燃气流场分为三个部分：初始超声速可燃气来流、膨胀扇内部流场、以及跨过膨胀扇影响的来流。跨过膨胀扇的来流紧邻扩张壁面，其速度、马赫数增大，而密度、温度和压力降低，与膨胀扇内部流和初始来流一起在流场中形成不均匀可燃气来流。
增大扩张壁面角度使得壁面下方流场的速度、马赫数进一步增大，而密度、温度和压力则进一步降低。相反，减小扩张壁面的角度则能够减小壁面下方流场的速度、马赫数，而增加其密度、温度和压力。
热射流喷注进扩张管道(扩张管道：扩张壁面作为上壁面，与等直下壁面一起构成扩张管道)后，诱导形成弓形激波并且在上扩张壁面产生反射。扩张壁面导致的不均匀来流，会改变初始超声速可燃气来流状态，从而能够影响热射流诱导的弓形激波在上壁面形成马赫反射的强度，同时也会影响爆震起爆之后在不均匀来流中的传播模态。
在来流条件下一定的情况下，改变扩张壁面的扩张角能够直接改变紧邻壁面下方的流场状态，从而能够控制热射流起爆以及爆震自持传播的模态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种超声速爆震燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括上壁面和下壁面，设置在燃烧室下壁面的凹腔，和设置在上壁面的扩张型面，以及设置在凹腔上游壁面的热射流爆震起爆装置；所述扩张型面与上水平面夹角为θ，θ的取值范围为0°～10°；还包括燃烧室入口和燃烧室出口，燃烧室入口和燃烧室出口位于爆震室两端，扩张壁面作为上壁面，与等直下壁面一起构成扩张管道，扩张管道中通入超声速流；扩张管道与燃烧室入口及燃烧室出口构成燃烧室；所述燃烧室的的入口设置在最上游，热射流起爆装置的热射流入口设置于燃烧室入口下游。
2.根据权利要求1所述的超声速爆震燃烧室，其特征在于，所述热射流起爆装置为热射流管，用于产生高温高压高速热射流，包括氧化剂接口，可燃气接口，火花塞，以及热射流出口。
3.根据权利要求1所述的超声速爆震燃烧室，其特征在于，所述凹腔为深凹腔或浅凹腔；所述凹腔设置于热射流入口的下游，凹腔内部低速燃烧形成的压力波动通过亚声速通道前传至上游弓形激波面，增强弓形激波的强度，从而加速热射流爆震起爆。
4.根据权利要求1所述的超声速爆震燃烧室，其特征在于，通过调整扩张壁面的角度能够改变流场的不均匀度，从而控制爆震热射流的起爆过程。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的超声速爆震燃烧室的起爆与自持控制方法，其特征在于，热射流喷注到超声速来流中首先诱导形成一道弓形激波，其后会形成亚声速通道，热射流下游的凹腔内部形成的压力震荡通过亚声速通道作用于上游弓形激波，进而促使弓形激波强度增强，从而加速爆震起爆的实现，而改变热射流同凹腔的距离则会控制爆震起爆的进度，在上壁面设计的扩张型壁面在超声速来流中形成膨胀波系，对过驱爆震产生衰减作用，抑制爆震波的前传，通过改变凹腔的尺寸以及扩张型面的角度，最终实现爆震波的相对稳定的自持传播。
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