CN112685893B - 激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，方法包括如下步骤：根据燃烧室入口来流参数获取斜激波的激波角βOSW‑斜劈角度θ曲线、斜爆震波的爆震波角βODW‑斜劈角度θ曲线及斜劈角度θ‑斜激波后温度T曲线、斜劈角度θ‑爆震波后温度T曲线；根据爆震波角βODW‑斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ‑斜激波后温度T曲线确定斜劈角度范围；在斜劈角度范围内选取多个斜劈角度，对多个斜劈角度分别行燃烧室流场计算；根据流场计算结果，结合燃烧室尺寸约束确定斜劈角度θ0；根据斜劈角度θ0的流场计算结果，确定临界斜劈长度Lw。本发明提供了燃烧室斜劈角度和长度设计方法，确保燃烧室中的斜爆震波能够实现驻定和起爆。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，更具体地，涉及一种激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法。
背景技术
激波诱燃冲压发动机(shcramjet)是未来吸气式高超声速飞行器最理想的动力系统之一，该发动机在进气道进行喷注和混合，以混合气形式进入燃烧室，通过斜激波诱发燃烧，能有效弥补了传统超燃冲压发动机机身一体化设计带来的缺点，缩短燃烧室长度，降低机身结构重量，扩宽飞行马赫数范围。激波诱燃冲压发动机燃烧室如图1所示，该发动机在燃烧室中采用斜劈来诱发斜激波，从而诱导斜爆震波。斜爆震波起爆和驻定是其关键技术之一，而斜劈的角度和长度是斜爆震波起爆和驻定的关键影响因素，斜劈角度过大会导致斜爆震波无法驻定，而过小的斜劈角度或过短的斜劈长度无法起爆斜爆震波，过长的斜劈长度会导致燃烧室结构重量增加，降低发动机的推重比，所以，在燃烧室设计中，关键是斜劈角度和长度的选取。
因此，如何根据来流条件设计斜劈角度和长度是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，以根据来流条件来确定激波诱燃冲压发动机燃烧室的斜劈角度和长度。
为了实现上述目的，本发明提供一种激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，所述方法包括如下步骤：
根据燃烧室入口来流参数获取斜激波的激波角βOSW-斜劈角度θ曲线、斜爆震波的爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线及斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线、斜劈角度θ-爆震波后温度T曲线；
根据爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线确定斜劈角度范围；
在斜劈角度范围内选取多个斜劈角度，对多个斜劈角度分别行燃烧室流场计算；
根据流场计算结果，结合燃烧室尺寸约束确定斜劈角度θ0；
根据斜劈角度θ0的流场计算结果，确定临界斜劈长度Lw。
可选地，所述燃烧室入口来流参数包括来流马赫数Ma0、来流温度T0和来流压力P0。
可选地，所述斜劈角度范围为(θCJ，θT＝1600)，其中，θCJ为C-J爆震对应的斜劈角度，θT＝1600为T＝1600K对应的斜劈角度。
可选地，在斜劈角度范围内至少选取三个斜劈角度，并分别行燃烧室流场计算。
可选地，所述临界斜劈长度Lw通过如下公式获得：
其中，Ma1为斜劈尾部附近的马赫数，L1为斜激波-斜爆震波转变点在水平方面投影距离，β为斜激波角或斜爆震波角；
可选地，所述激波角βOSW(爆震波角βODW)-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-斜激波(爆震波)后温度T曲线由斜激波(斜爆震波)关系式获得，所述关系式为：
其中，Ma0n＝Ma0sinβ，Ma0为燃烧室入口来流马赫数，T0为来流温度，γ为来流混合气的比热比，Cp为来流混合气的定压比热，Q为混合气燃烧放热量，β为斜激波角或斜爆震波角。
可选地，所述根据斜劈角度θ0的流场计算结果，确定临界斜劈长度Lw包括：根据斜劈角度θ0的流场计算结果，考虑膨胀波的影响，建立斜爆震波起爆准则。
可选地，所述燃烧室的斜劈长度L>Lw。
本发明的有益效果在于：
1)本发明给出了激波诱燃冲压发动机燃烧室的斜劈角度和长度设计方法，确保燃烧室的斜爆震波能够驻定和起爆，并最大程度减小燃烧室的结构重量，提高发动机的推重比。
2)本发明在驻定斜劈角度范围内缩小了斜劈角度的选取范围。
3)本发明能够根据来流条件和斜劈角度，给出了临界斜劈长度。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为激波诱燃冲压发动机燃烧室的示意图。
图2为临界斜劈长度的示意图。
图3为激波角βOSW(爆震波角βODW)-斜劈角度θ曲线图。
图4为斜劈角度θ-波后温度T曲线图。
图5为不同斜劈角度下的温度流场图(单位m)。
图6为不同斜劈长度下的温度和H2O流场图(黑色等值线代表H2O)。
图7为激波诱燃冲压发动机燃烧室的设计流程图。
附图标记说明
1、燃烧室；2、斜劈。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明公开了一种激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，方法包括如下步骤：
根据燃烧室入口来流参数获取斜激波的激波角βOSW-斜劈角度θ曲线、斜爆震波的爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线及斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线、斜劈角度θ-爆震波后温度T曲线；
根据爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线确定斜劈角度范围；
在斜劈角度范围内选取多个斜劈角度，对多个斜劈角度分别行燃烧室流场计算；
根据流场计算结果，结合燃烧室尺寸约束确定斜劈角度θ0；
根据斜劈角度θ0的流场计算结果，确定临界斜劈长度Lw。
具体地，本发明给出了激波诱燃冲压发动机燃烧室的斜劈角度和长度设计方法，确保燃烧室的斜爆震波能够驻定和起爆，并最大程度减小燃烧室的结构重量，提高发动机的推重比。本发明在驻定斜劈角度范围内缩小了斜劈角度的选取范围。本发明能够根据来流条件和斜劈角度，给出了临界斜劈长度。
作为可选方案，燃烧室入口来流参数包括来流马赫数Ma0、来流温度T0和来流压力P0。
作为可选方案，斜劈角度范围为(θCJ，θT＝1600)，其中，θCJ为C-J爆震对应的斜劈角度，θT＝1600为T＝1600K对应的斜劈角度。
作为可选方案，在斜劈角度范围内至少选取三个斜劈角度，并分别行燃烧室流场计算。
作为可选方案，临界斜劈长度Lw通过如下公式获得：
其中，Ma1为斜劈尾部附近的马赫数，L1为斜激波-斜爆震波转变点在水平方面投影距离，β为斜激波角或斜爆震波角；
作为可选方案，激波角βOSW(爆震波角βODW)-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-斜激波(爆震波)后温度T曲线由斜激波(斜爆震波)关系式获得，关系式为：
其中，Ma0n＝Ma0sinβ，Ma0为燃烧室入口来流马赫数，T0为来流温度，γ为来流混合气的比热比，Cp为来流混合气的定压比热，Q为混合气燃烧放热量，β为斜激波角或斜爆震波角。
作为可选方案，根据斜劈角度θ0的流场计算结果，确定临界斜劈长度Lw包括：根据斜劈角度θ0的流场计算结果，考虑膨胀波的影响，建立斜爆震波起爆准则。
作为可选方案，燃烧室的斜劈长度L>Lw。
具体地，当斜劈长度L>Lw，斜爆震波能成功起爆。
实施例
激波诱燃冲压发动机燃烧室如图1所示，包括燃烧室1和斜劈2。
本实施例中，燃烧室入口来流参数包括P0＝16.261kPa，T0＝721.8K，Ma0＝6.0。
(1)假设斜激波(斜爆震波)前后混合气的比热和比热比不变，根据斜激波(斜爆震波)关系式获得斜激波的激波角βOSW-斜劈角度θ曲线、斜爆震波的爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线，如图3所示；
(2)根据斜激波(斜爆震波)关系式获得斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线、斜劈角度θ-爆震波后温度T曲线，如图4所示；
(3)根据爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线确定斜劈角度范围(θCJ，θT＝1600)；
(4)在斜劈角度范围内选取三个斜劈角度θ＝14°、16°、18°，如图4所示；
(5)假设斜劈为无限长，采用Fluent软件针对三个斜劈角度分别进行流场计算，结果如图5所示，根据燃烧室尺寸约束(燃烧室长度小于12cm)，选取θ0＝18°；
(6)根据图5中θ0＝18°的流场结果，Ma1＝3.4，L1＝0.079m，βOSW＝26°，θ＝18°，考虑膨胀波的影响，建立斜爆震波起爆准则，可得Lw＝0.047，因此燃烧室斜劈长度L大于临界斜劈长度Lw＝0.047m时，斜爆震波能成功起爆，在临界斜劈长度时，波系结构如图2所示；；
(7)针对0.05m、0.047m、0.044m三个不同斜劈长度，计算温度和H2O流场图(黑色等值线代表H2O)，计算结果如图6所示，证实了斜劈长度大于0.047m时，斜爆震波才能成功起爆。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (7)
1.一种激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
根据燃烧室入口来流参数获取斜激波的激波角βOSW-斜劈角度θ曲线、斜爆震波的爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线及斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线、斜劈角度θ-爆震波后温度T曲线；
根据爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线确定斜劈角度范围；
在斜劈角度范围内选取多个斜劈角度，对多个斜劈角度分别行燃烧室流场计算；
根据流场计算结果，结合燃烧室尺寸约束确定斜劈角度θ0；
根据斜劈角度θ0的流场计算结果，确定临界斜劈长度Lw；
所述斜劈角度范围为(θCJ，θT＝1600)，其中，θCJ为C-J爆震对应的斜劈角度，θT＝1600为T＝1600K对应的斜劈角度。
2.根据权利要求1所述的激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，其特征在于，所述燃烧室入口来流参数包括来流马赫数Ma0、来流温度T0和来流压力P0。
3.根据权利要求1所述的激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，其特征在于，在斜劈角度范围内至少选取三个斜劈角度，并分别行燃烧室流场计算。
4.根据权利要求1所述的激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，其特征在于，所述临界斜劈长度Lw通过如下公式获得：
其中，Ma1为斜劈尾部附近的马赫数，L1为斜激波-斜爆震波转变点在水平方面投影距离，β为斜激波角或斜爆震波角；
5.根据权利要求1所述的激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，其特征在于，所述激波角βOSW-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-斜激波后温度T曲线由斜激波关系式获得，所述爆震波角βODW-斜劈角度θ曲线和斜劈角度θ-爆震波后温度T曲线由斜爆震波关系式获得，所述关系式为：
其中，Ma0n＝Ma0sinβ，Ma0为燃烧室入口来流马赫数，T0为来流温度，γ为来流混合气的比热比，Cp为来流混合气的定压比热，Q为混合气燃烧放热量，β为斜激波角或斜爆震波角。
6.根据权利要求1所述的激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，其特征在于，所述根据斜劈角度θ0的流场计算结果，确定临界斜劈长度Lw包括：根据斜劈角度θ0的流场计算结果，考虑膨胀波的影响，建立斜爆震波起爆准则。
7.根据权利要求1所述的激波诱燃冲压发动机燃烧室设计方法，其特征在于，所述燃烧室的斜劈长度L>Lw。
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