CN108915891A - 一种基于三维内转进气道的燃料提前喷注设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维内转进气道的燃料提前喷注设计方法，涉及近空间高超声速飞行器。根据设计要求获得三维内收缩进气道几何模型；获得三维内收缩进气道流场结构；根据获得的进气道流场结构和特征在其内收缩面上沿流向布置细长形燃料喷注口；在细长形燃料喷注口两侧布置燃料喷嘴，通过对计算得到的喷注口附近的流场特征以及收缩面上的附面层发展规律确定燃料喷嘴的布置方式；调节细长形燃料喷注口和两侧燃料喷嘴的喷注压力，控制进气道入射激波在不同工况下的贴口状态。通过在三维内转进气道压缩面上按指定空间分布布置细长形燃料喷注口和圆形燃料喷嘴，利用进气道提供给燃料的预掺混长度，有助于实现充分燃烧，提升下游燃烧室性能。

Description

一种基于三维内转进气道的燃料提前喷注设计方法

技术领域

本发明涉及近空间高超声速飞行器，尤其是涉及一种基于三维内转进气道的燃料提前喷注设计方法。

背景技术

对临近空间的高超声速飞行器，尤其是对其推进系统的研究已然成为国际竞相争夺的尖端科技制高点之一，其中超燃冲压发动机以其高比冲和大推重比的优势而成为推进系统的重点研究对象。但是高超声速飞行器主要工作在高马赫来流的环境下，燃料在燃烧室内的驻留时间以及燃料与空气的有效掺混长度都极短，这就使得燃料的燃烧效率低下，进而导致飞行器推力不足，因此如何通过提高超燃冲压发动机的燃烧效率来提高推力受到重视。国内外学者在改善燃烧上做了大量研究工作，包括方形驻涡、后掠驻涡、燃料垂直喷注、侧壁喷注等等。然而，目前绝大部分的燃料喷注掺混研究都是在燃烧室和隔离段内开展的，很少从一体化的角度出发去考虑将燃料的喷注直接提前到进气道内完成。此外，在高于设计马赫数工况下，外压缩波系和强滑流层极易进入内通道引起进气道的总压恢复系数下降和发动机的不稳定工作。由此可见，在高超声速飞行器领域中，提出一种在进气道提前喷注以此来增强燃料掺混并利用燃料进行激波系控制的设计方法至关重要。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种基于三维内转进气道的燃料提前喷注设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)根据设计要求获得三维内收缩进气道几何模型；

2)在步骤1)的基础上获得三维内收缩进气道流场结构；

3)根据步骤2)获得的进气道流场结构在三维内收缩进气道内收缩面上沿流向布置细长形燃料喷注口；

4)在细长形燃料喷注口两侧布置燃料喷嘴，通过对计算得到的喷注口附近的流场特征以及收缩面上的附面层发展规律确定燃料喷嘴的布置方式；

5)调节细长形燃料喷注口和两侧燃料喷嘴的喷注压力，控制进气道入射激波在不同工况下的贴口状态。

本发明的突出优点在于：通过在三维内转进气道压缩面上按指定空间分布布置细长形燃料喷注口和圆形燃料喷嘴，有效地利用了进气道提供给燃料的预掺混长度，弥补了常规冲压发动机燃料的喷注和掺混仅在燃烧室内完成而造成的燃料实际驻留时间过短的不足，有助于实现充分燃烧，提升下游燃烧室性能。此外，在变马赫数条件下通过燃料射流改变入射激波的弯曲程度，使其保持唇罩封口，提高进气道流量捕获从而有效增加发动机净推力。因此，本发明提出的设计方法巧妙地将掺混与激波控制统筹结合起来，可谓是一举两得。

附图说明

图1是一种高超声速三维内转进气道示意图；

图2是一种设置了细长形燃料喷注口和燃料喷嘴的三维内转进气道示意图；

图3是三维内收缩进气道的对称面上截取得到的细长形燃料喷注口附近的流场特征示意图；

图4是三维内收缩进气道的对称面上燃料提前喷注示意图。

图中的标记为：1表示高超声速来流、2表示三维内转进气道进口、3表示进气道内收缩段、4表示细长形燃料喷注口、5表示圆形燃料喷嘴、6表示自由来流、7表示喷注口上游分离区、8表示燃料射流在自由来流中引起的弓形激波、9表示燃料射流边界、10表示在燃料喷注口出口形成的桶状激波、11表示喷注口下游回流区、12表示桶状激波的背风低流速区、13表示自由来流、14表示入射激波、15表示燃料射流、16表示燃料诱导波系、17表示进气道壁面、18表示弯曲激波。

具体实施方式

如图1～4所示，本发明以典型的三维内转进气道为基础，其由高超声速方形进口2和进气道内收缩段3构成，在进气道内收缩段3的型面上设有细长形燃料喷注口4和圆形燃料喷嘴5；

本发明的主要实施步骤包括：

(1)、根据设计要求获得三维内收缩进气道几何模型。运用特征线法求解相关基本流场，然后采用流线追踪的方法生成三维内转进气道压缩型面3，最终获得一种如图1所示的方形入口转圆形出口的进气道。

(2)、获得三维内收缩进气道流场结构。对进气道模型进行数值模拟，并提取其三维流场结构，获得在设计马赫数与高于设计马赫数两种工况下的激波波系图。

(3)、根据步骤(2)获得的进气道流场结构和特征在其内收缩面上布置细长形燃料喷注口4。利用在进气道提前喷注燃料来增加有效掺混时长的思路，根据燃料流量需求确定细长形喷注口4的宽度和长度。通过燃料从细长形燃料喷注口4垂直喷入进气道后在自由来流中引起弓形激波8，弓形激波8和逆压力梯度一同作用在在燃料喷注口出口形成的桶状激波10上游的来流边界层，促使其在细长形燃料喷注口4前发生分离，在此基础上如图2所示设置好细长形燃料喷注口4沿流向分布的间距和数量，使射流能够充分利用在燃料喷注口出口形成的桶状激波10的上游分离区7和下游的回流区11加强与来流的掺混。

(4)、在细长形燃料喷注口4两侧布置燃料喷嘴5。布置方式为：在步骤(3)的基础上对带有该喷注口的算例进行仿真计算，截取喷注口4附近的流场特征以及收缩面附面层发展规律。如图3所示，燃料在喷注口出口形成桶状激波10，对主流形成阻碍，在细长形燃料喷注口4下游形成低速区12，由此在细长形燃料喷注口4垂直于来流方向两侧布置按照一定空间角度安装的喷嘴，喷注角度以及喷注总压视流场中桶状激波10的背风低流速区12的分布区域而定。通过调节喷嘴的喷射角还可以改变射流的穿透深度，从而适应在进气道不同工况下的流场特征。

(5)、通过合理调节细长形燃料喷注口4和两侧燃料喷嘴5的喷注压力，运用燃料喷注形成的外推效应，结合步骤(2)所获得的波系作用规律，控制进气道入射激波14与燃料射流15碰撞后形成的干扰和激波偏移，实现弯曲激波18贴口。如图4所示，当进气道工作在高于设计马赫数的工况下，由于高马赫数对应的激波角减小，导致外压缩激波打入唇罩以内形成强反射恶化了进气道的工作环境，针对该问题，本发明能够通过调节燃料的喷注压力使得形成诱导激波16将压缩激波外推至贴口，并能通过改变进气道内收缩段3不同位置上的燃料喷注口的喷注压力，巧妙地实现对弯曲激波18的形状修饰，根据不同需求灵活调节入射激波与唇口的相对位置。

Claims (1)

1.一种基于三维内转进气道的燃料提前喷注设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据设计要求获得三维内收缩进气道几何模型；

2)在步骤1)的基础上获得三维内收缩进气道流场结构；

3)根据步骤2)获得的进气道流场结构在三维内收缩进气道内收缩面上沿流向布置细长形燃料喷注口；

4)在细长形燃料喷注口两侧布置燃料喷嘴，通过对计算得到的喷注口附近的流场特征以及收缩面上的附面层发展规律确定燃料喷嘴的布置方式；

5)调节细长形燃料喷注口和两侧燃料喷嘴的喷注压力，控制进气道入射激波在不同工况下的贴口状态。