CN107957081A - 基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，属于高超声速飞行器推进系统设计领域。本发明在超燃冲压发动机燃烧室内设置台阶式燃料喷注结构，使得一小部分燃料平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内，利用燃烧室内的高温实现点火，在可压缩湍流边界层内形成稳定的扩散燃烧火焰，燃料平行喷注后形成的火焰在湍流边界层的边缘附近。本发明通过在燃烧室近壁边界层内形成稳定燃烧，利用放热效应可大幅降低湍流边界层内雷诺应力的原理以达到显著降低壁面摩擦阻力的目的。同时，合理控制燃烧火焰在湍流边界层内的位置，使燃烧室内的壁面传热量不会显著增加，具有技术实现难度小、经济性好的优点。

Description

基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法
技术领域
本发明属于高超声速飞行器推进系统设计领域，涉及一种可有效降低超燃冲压发动机内流道摩擦阻力的流动控制技术，具体地说，是指一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法。
背景技术
超燃冲压发动机作为未来高超声速飞行器的理想动力装置，其技术发展已受到各国的高度重视。超燃冲压发动机实用化的一个技术难点是实现高的推阻比。目前的研究主要集中于提高超声速燃烧效率而增加推力的研究，从而催生了诸如超声速流动中的点火、火焰稳定、燃烧效率等相关研究；而对于降低阻力的研究则相对较少。在超燃冲压发动机内部摩擦阻力的构成中，燃烧室内由于其壁面的高剪切率使其摩阻可占发动机内总摩阻的一半左右。因此，通过流动控制技术降低超燃冲压发动机燃烧室内可压缩湍流边界层的壁面摩阻将会很大程度的提高发动机的推阻比。
超燃冲压发动机燃烧室内近壁区可压缩湍流边界层内的雷诺应力是造成高摩擦阻力的主要原因，若能发展一种可降低近壁湍流边界层内应力水平的技术则可有效降低摩擦阻力。国外学者Denman等利用大涡模拟(LES)技术开展的可压缩湍流边界层内放热效应数值模拟研究发现，放热效应可明显降低可压缩湍流边界层内的雷诺应力；Sarkar等通过对包含无限快氢/氧燃烧的自由混合层的直接数值模拟(DNS)研究认为，燃烧放热效应诱导湍流雷诺应力降低的物理机制主要在于放热导致平均密度的降低。以上研究表明，燃烧的放热效应可有效降低湍流边界层的雷诺应力水平。然而目前超燃冲压发动机燃烧室设计中出于防热的考虑，一般均在燃烧室远离壁面的空间内组织燃烧，因此无法利用燃烧的放热效应降低近壁边界层内的雷诺应力。如果能设计一种在可压缩湍流边界层内发生燃烧且不会显著增加壁面传热量的技术，则可利用燃烧放热效应降低超燃冲压发动机燃烧室壁面的摩擦阻力。
发明内容
本发明提出一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻技术，通过在燃烧室近壁边界层内形成稳定燃烧，利用放热效应可大幅降低湍流边界层内雷诺应力的原理以达到显著降低壁面摩擦阻力的目的。同时，合理控制燃烧火焰在湍流边界层内的位置，使燃烧室内的壁面传热量不会显著增加。
本发明提供的基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，分以下步骤：
步骤1：在超燃冲压发动机燃烧室内主要燃料喷射位置下游利用台阶式燃料喷注结构，使得燃料平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内。
所述的台阶式燃料喷注结构设置在燃烧室内可压缩湍流边界层的靠近内部位置，在所述可压缩湍流边界层的壁面内，设置一个台阶入口，入口方向平行于壁面，使得燃料可以平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内。
步骤2：利用燃烧室内的高温实现点火，在湍流边界层内形成稳定的扩散燃烧火焰，燃料平行喷注后形成的火焰在湍流边界层的边缘附近。
湍流边界层内的燃烧放热效应可大幅降低壁面的摩擦阻力，同时不会对燃烧室壁面的放热带来明显不利影响。
本发明的优点在于：
(1)降低燃烧室内摩擦阻力效率高。典型的超燃冲压发动机燃烧室内流动状态下，湍流边界内燃烧的放热效应可令其作用区域的摩擦阻力降低60％～70％，这样可以有效提高超燃冲压发动机的推阻比。
(2)技术实现难度小。本发明中湍流边界层内形成燃烧只需在燃烧室内设计台阶式燃料喷注结构，通过引入一小部分燃料通过此台阶注入边界层内，利用燃烧室内的高温点火，从而在边界层内形成稳定燃烧。
(3)经济性好。通过在边界层内形成稳定燃烧可实现作用区域摩阻的大幅下降，同时在边界层内发生的燃烧所放出的能量也被加入到燃烧室的气流内，之后在喷管内会被转化为气流动能而形成推力，因此本发明可付出很小的代价而获得摩阻的显著降低。
附图说明
图1为本发明提供的基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法中的台阶式燃料喷注结构示意图；
图2为边界层燃烧发生时的典型温度云图；
图3为边界层燃烧减阻技术的应用实例示意图；
图4为湍流边界层内雷诺应力在有/无边界层燃烧时的对比；
图5为有/无边界层燃烧时壁面摩阻系数的对比；
图6为有/无边界层燃烧时壁面热流密度的对比。
具体实施方式
本发明提出了一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，通过在燃烧室近壁边界层内形成稳定燃烧，利用放热效应可大幅降低湍流边界层内雷诺应力的原理以达到显著降低壁面摩擦阻力的目的。同时，通过合理控制燃烧火焰在湍流边界层内的位置可保证燃烧室内壁面传热量不会显著增加。该方法可显著提高超燃冲压发动机的推阻比，促进超燃冲压发动机的工程实用化。
如图1所示，在燃烧室内部的燃料注入口，来流空气在燃烧室壁面形成可压缩湍流边界层，燃料通过一个安装在后台阶的二维槽道以音速水平喷入所述的可压缩湍流边界层内，利用燃烧室内来流空气的高温激发自点火而在所述的可压缩湍流边界层内形成扩散火焰。如图2给出的典型温度云图所示，可压缩湍流边界层内的燃烧化学反应将会放出热量，放热效应会诱导可压缩湍流边界层内雷诺应力的下降，从而降低边界层外部动量向壁面的输运效率，引起壁面摩擦阻力的减小，达到减阻的目的。试验数据表明典型状态下燃烧的放热效应可令摩擦阻力降低60％～70％左右。此外，考虑到可压缩湍流边界层内发生的燃烧放热效应同时可能会引起壁面传热的增加从而对燃烧室的放热产生不利影响，若能将燃烧火焰限制在可压缩湍流边界层边缘附近，壁面处的热流并不会因为外部的燃烧而大幅升高。然而，放热效应诱导湍流雷诺应力降低而致使湍流向壁面的传热能力降低，最终令边界层燃烧状态下壁面传热量与无边界层燃烧情况下对比并不会显著升高。因此，需要优化图1中燃料注入的台阶高度h与湍流边界层厚度H的相对大小，令边界层燃烧时火焰位于边界层边缘附近，从而可实现大幅降低壁面摩阻同时维持燃烧室壁面传热量不会显著增加的目的。
本发明提供的基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，包括以下步骤：
步骤1：在超燃冲压发动机燃烧室内主要燃料喷射位置下游的壁面上选择合适位置，设计如图1所示的台阶式燃料喷注结构，从而可将燃料平行喷射入燃烧室壁面湍流边界层内。
台阶式燃料喷注结构的位置选择遵循以下原则：在主要燃料喷注并成功实现点火之后，这样可以利用主要燃料燃烧的高温实现可压缩湍流边界层内的点火及稳定燃烧；同时其位置要在保证以上要求条件下尽量靠前，这样可令燃烧室内可压缩湍流边界层燃烧减阻的作用范围大。
步骤2：根据燃烧室内流动参数优化确定以上台阶式燃料喷注结构的高度h，以及燃料喷注的速度、温度和压强等参数，目标是控制燃料平行喷注后形成火焰在可压缩湍流边界层的边缘附近。
所述台阶式燃料喷注结构的高度h，对边界层燃烧减阻以及壁面传热有重要影响。高度过高会减弱边界层燃烧降低壁面摩擦阻力的效果，而高度过低则边界层内的燃烧会令壁面传热大幅增加从而对放热产生不利影响。
所述的燃料的喷注参数，包括喷注速度和温度，燃料温度越低越好，但该温度参数一般由发动机设计确定。而喷注速度则主要决定了边界层燃烧减阻的作用范围。喷注速度增加则会减弱边界层燃烧的减阻效果，但有利于在下游较大区域内保证较低的壁面热流。因此，台阶的高度以及燃料的喷注速度根据实际燃烧室流动参数进行优化设计，目标为在保证壁面传热不明显增加的约束下实现最大的壁面摩阻降低。
步骤3：按照以上确定的参数在燃烧室工作时将小部分燃料通过以上台阶式燃料喷注结构喷射入燃烧室，由于燃烧室内的高温会在壁面附近可压缩湍流边界层内形成稳定的扩散燃烧火焰，所产生的放热效应可大幅降低燃烧室内的摩擦阻力，同时不会对燃烧室壁面的放热带来明显不利影响。
实施例：图3给出了典型边界层燃烧减阻的应用实例，其中空气来流条件为：马赫数2.44，温度1270K，压强为1个大气压；氢燃料喷射条件为：马赫数1，温度254K，压强同样为1个大气压。此外，空气来流边界层厚度为4mm，氢燃料喷注的台阶高度也为4mm。图2为在该条件下发生边界层燃烧时数值模拟得到的温度云图(图中黑色实线代表湍流边界层的外缘)，可以看到燃烧诱导的高温区域集中在可压缩湍流边界层外缘附近。从图4给出的x＝2m站位上可压缩湍流边界层内雷诺应力法向分布在有/无边界层燃烧时的对比可以看到，燃烧的放热效应非常明显的降低了边界层内的雷诺应力水平。可压缩湍流边界层内雷诺应力的减小会降低边界层外部动量向壁面的输运效率，从而会降低壁面摩阻。图5中给出的有/无边界层燃烧情况下壁面摩阻系数cf的对比则印证了这一点：边界层燃烧发生时，壁面摩阻系数与无燃烧发生时会明显下降，在出口处放热效应将无燃烧状态下约0.003的摩阻系数降低到0.001左右，表明边界层内的放热效应将摩阻系数降低了约67％。图6则展示了有/无边界层燃烧情况下壁面热流的对比。可以看出，在此参数条件下，边界层燃烧并未引起壁面热流的增加，反而在壁面的大部分热流甚至会低于无边界层燃烧时的值。该应用实例表明，本发明提出的基于边界层燃烧的减阻技术，可大幅降低超燃冲压发动机燃烧室壁面的摩擦阻力的目的，同时通过合理控制燃烧火焰在湍流边界层内的位置可保证燃烧室内壁面传热量不会显著增加。

Claims (2)

1.一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，其特征在于：在超燃冲压发动机燃烧室内设置台阶式燃料喷注结构，使得一小部分燃料平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内，利用燃烧室内的高温实现点火，在可压缩湍流边界层内形成稳定的扩散燃烧火焰，燃料平行喷注后形成的火焰在湍流边界层的边缘附近。
2.根据权利要求1所述的一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，其特征在于：所述的台阶式燃料喷注结构设置在主要燃料喷射位置下游，靠近燃烧室内可压缩湍流边界层的内部位置；在所述可压缩湍流边界层的壁面上，设置一个台阶入口，入口方向平行于壁面，使得所述的一小部分燃料平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内。
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