CN114183279B - 一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，冲压发动机带有燃烧室，方法包括：将所述设定粒径的金属基颗粒喷注至所述燃烧室；金属基颗粒在燃烧室内呈空间稳态分布；向燃烧室内馈入微波；金属基颗粒吸收微波，温度升高，得到多个升温区；金属基颗粒在微波的作用下，表面形成等离子体，得到多个助燃区，多个升温区和助燃区协同作用提高燃烧内的火焰燃烧速度。本发明无需在燃烧室内放置激励装置，可以避免流速损失，同时在微波作用下，金属基颗粒表面形成等离子体层，等离子体层中的自由电子会加速与中性粒子的碰撞，以促进微波场能量吸收，进而金属基颗粒表面温度升高，促进火焰燃烧速度。

Description

一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法
技术领域
本发明涉及辅助燃烧技术领域，特别是涉及一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法。
背景技术
随着工作场景的拓宽，推进系统需要面对更为极端的条件，极端环境参数将使推进系统偏离最佳工况，导致燃烧性能降低。针对这个问题，需要采用辅助燃烧手段来提高燃烧性能。现有辅助燃烧方法可被分为两大类：(1)燃烧室结构改进，结构改进需要改变燃烧室构型，对于已有燃烧装置难以实现；(2)激励模式改进，激励模式改进是指采用先进的激励类型来增强燃烧，激励类型包含等离子炬、微波、激光和电火花等，该方法大多需要在燃烧室内放置激励装置，激励装置会改变燃烧室内流场分布，导致流速损失，降低燃烧性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，能够在不导致流场损失和结构改进的前提下，实现微波对于冲压发动机内燃烧室的定向高效率辅助燃烧。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，所述冲压发动机带有燃烧室，所述方法包括：
将设定粒径的金属基颗粒喷注至所述燃烧室；所述金属基颗粒在所述燃烧室内呈空间稳态分布；
向所述燃烧室内馈入微波；所述金属基颗粒吸收所述微波，温度升高，得到多个升温区；所述金属基颗粒在所述微波的作用下，表面形成等离子体，得到多个助燃区，多个所述升温区和所述助燃区协同作用提高所述燃烧内的火焰燃烧速度。
优选地，所述空间稳态分布具体为：
通过光学观测手段，在1s的时间尺度内，所述燃烧室内，各个区域的所述金属基颗粒的粒径相差小于或等于粒径阈值，各个区域均为方形平面区域。
优选地，所述微波的激励模式为连续式、间断式和脉冲式中任意一者。
优选地，所述金属基颗粒的材质为碱金属盐、氧化金属、纯金属和陶瓷金属中任意一者或几者的组合。
优选地，所述金属基颗粒的粒径为1～100μm。
优选地，所述微波的输出功率为1～10kW、输出频率为2～3GHz。
优选地，每个所述区域对应一个或几个固定的微波输出频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，冲压发动机带有燃烧室，方法包括：将所述设定粒径的金属基颗粒喷注至所述燃烧室；金属基颗粒在燃烧室内呈空间稳态分布；向燃烧室内馈入微波；金属基颗粒吸收微波，温度升高，得到多个升温区；金属基颗粒在微波的作用下，表面形成等离子体，得到多个助燃区，多个升温区和助燃区协同作用提高燃烧内的火焰燃烧速度。本发明无需在燃烧室内放置激励装置，可以避免流速损失，同时在微波作用下，金属基颗粒表面形成等离子体层，等离子体层中的自由电子会加速与中性粒子的碰撞，以促进微波场能量吸收，进而金属基颗粒表面温度升高，促进火焰燃烧速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法流程图；
图2为本发明燃烧室内的作用原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，能够在不导致流场损失和结构改进的前提下，实现微波对于推进系统内燃烧室的定向高效率辅助燃烧。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法流程图。如图所示，本发明提供了一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，所述冲压发动机带有燃烧室，所述方法包括：
步骤S1，将设定粒径的金属基颗粒喷注至所述燃烧室；所述金属基颗粒在所述燃烧室内呈空间稳态分布。本实施例中，所述金属基颗粒的材质为碱金属盐、氧化金属、纯金属和陶瓷金属中任意一者或几者的组合，所述金属基颗粒的粒径为1～100μm，所述金属基颗粒的形状为球形、方形或任意不规则形状。所述空间稳态分布具体为：通过光学观测手段，在1s的时间尺度内，所述燃烧室内，各个区域的所述金属基颗粒的粒径相差小于或等于粒径阈值，各个所述区域均为方形平面区域。优选地，所述粒径阈值为5％。
步骤S2，向所述燃烧室内馈入微波；所述金属基颗粒吸收所述微波，温度升高，得到多个升温区；所述金属基颗粒在所述微波的作用下，表面形成等离子体，得到多个助燃区，多个所述升温区和所述助燃区协同作用提高所述燃烧内的火焰燃烧速度。本实施例中，所述微波的激励模式为连续式、间断式和脉冲式中任意一者，所述微波的输出功率为1～10kW、输出频率为2～3GHz。
优选地，每个所述区域对应一个或几个固定的微波输出频率。
作为一种可选的实施方式，当冲压发动机的输出功率稳定时，采用脉冲式微波对燃烧室内的金属基颗粒进行激励，脉冲式微波频率为1～10kHz，脉冲式微波脉宽为1～100μs。
如图2所示，本发明原理如下：
设定粒径的金属基颗粒喷注进燃烧室后，所述金属基颗粒在整个燃烧区域形成空间稳态分布。在燃烧室的下游特定部位定向馈入微波，使之被金属基颗粒强烈吸收，形成多个升温区。同时，利用微波辐照，使得微波能量被特定区域的金属基颗粒吸收，增加金属基颗粒表面电离强度，形成等离子体，等离子体中存在大量不同类型的活性粒子，其中存在的活性基团(例如O、H和OH等)将从化学反应动力学方面加快燃烧的进行，伴随存在的离子风效应也将促进燃料扩散和离解，加快燃烧反应的进行，以协同增强燃烧室内的火焰燃烧效果。
本发明的辅助燃烧方法的定向燃烧增强从时间和空间两方面影响燃烧释热空间分布规律，燃烧释热空间分布规律的基本方程为dTt/dx＝(dTt/dt)/(dx/dt)，其存在dx/dt和dTt/dt两个关键项，dx为空间位置，dt为温度，dTt为时间。1)dx/dt作为温度场随空间位置变化的导数，需要对空间位置分布进行调控。本发明中的微波馈入具有一定的方向性和指向性，可以实现对预定局部位置混合燃料的激发、解离和电离强化，并诱导燃烧主要发生在预定的强电离化学基团区域，从而引起主导燃烧区位置沿发动机轴向的移动，形成对于燃烧释热空间分布规律的调节，提高燃烧系统的宽域性，实现对推进系统推力的增强调控；
2)dTt/dt作为温度的时间梯度值，本发明通过促进燃烧室内燃料和工质气体的激发、解离和电离，使得微波能够较好地与原始火焰耦合，提高了区域内燃烧的化学反应速度，提高微波能量馈入效率，提高燃烧室特定区域的压力，达到局部燃烧强化的效果，为不同极端工况下的推力调节提供了技术支撑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，所述冲压发动机带有燃烧室，其特征在于，所述方法包括：
将设定粒径的金属基颗粒喷注至所述燃烧室；所述金属基颗粒在所述燃烧室内呈空间稳态分布；
向所述燃烧室内馈入微波；所述金属基颗粒吸收所述微波，温度升高，得到多个升温区；所述金属基颗粒在所述微波的作用下，表面形成等离子体，得到多个助燃区，多个所述升温区和所述助燃区协同作用提高所述燃烧内的火焰燃烧速度。
2.根据权利要求1所述的面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，其特征在于，所述空间稳态分布具体为：
通过光学观测手段，在1s的时间尺度内，所述燃烧室内，各个区域的所述金属基颗粒的粒径相差小于或等于粒径阈值，各个所述区域均为方形平面区域。
3.根据权利要求1所述的面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，其特征在于，所述微波的激励模式为连续式、间断式和脉冲式中任意一者。
4.根据权利要求1所述的面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，其特征在于，所述金属基颗粒的材质为碱金属盐、氧化金属、纯金属和陶瓷金属中任意一者或几者的组合。
5.根据权利要求1所述的面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，其特征在于，所述金属基颗粒的粒径为1～100μm。
6.根据权利要求1所述的面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，其特征在于，所述微波的输出功率为1～10kW、输出频率为2～3GHz。
7.根据权利要求2所述的面向冲压发动机的微波金属基颗粒协同辅助燃烧方法，其特征在于，每个所述区域对应一个或几个固定的微波输出频率。
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