CN115060504A - 冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，包括：获取空气加热器的燃烧室内压强参数、各组分流量参数、出口截面面积以及发动机隔离段沿程壁面压强参数，并得到发动机隔离段入口截面气流参数，再得到不同时刻下的隔离段沿程气流参数与隔离段出口马赫数，最后得到隔离段沿程气流参数实时分布，并对发动机燃烧室的燃烧模态进行实时判别。本发明应用于双模态超燃冲压发动机领域，通过开展单次的地面直连试验，实时测量空气加热器压力、发动机隔离段沿程压强参数，即可以直接得到发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数，在节约了数值计算成本的同时，还能够快速、实时的确定发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数。

Description

冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法

技术领域

本发明涉及双模态固体火箭超燃冲压发动机技术领域，具体是一种基于地面直连试验的冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法。

背景技术

超燃冲压发动机是当今世界各国研究的热门领域之一。其中，双模态超燃冲压发动机具备超燃冲压发动机和亚燃冲压发动机的工作优势，拥有大燃料当量比适应能力和燃烧模态转换能力，能够满足高超声速飞行器在宽飞行速域下的工作要求，并且具有较好的工作性能，是未来高超声速飞行器的理想动力装置之一。双模态超燃冲压发动机结构简图如图1所示，与超燃冲压发动机基本结构类似。双模态超燃冲压发动机工作原理为：通过热力调节或者几何调节控制热力喉道或者几何喉道的生成或消失，实现对燃烧模态的转换，进而匹配不同工况下的来流，使其能够分别在亚声速燃烧模态和超声速燃烧模态下稳定工作。

双模态超燃冲压发动机在不同燃烧模态下的燃烧方式和性能存在较大差异，因此精确判别燃烧模态是当前面临的主要问题。而现有的发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数确定方法需要通过复杂的三维高精度稳态数值模拟获取，无法直接通过地面直连试验数据直接获得，耗时较长，且不具有实时性。此外，数值模拟方法中给定的边界条件不能实时获得地面直连试验中发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，能够快速、实时的确定发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数。

为实现上述目的，本发明提供一种冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，基于地面直连试验，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取超燃冲压发动机地面直连试验中空气加热器的燃烧室内压强参数、各组分流量参数、出口截面面积以及发动机隔离段沿程壁面压强参数；

步骤2，基于地面直连试验中空气加热器的燃烧室内压强参数、各组分流量参数和出口截面面积，得到发动机隔离段入口截面气流参数；

步骤3，基于发动机隔离段入口截面气流参数和隔离段沿程壁面压强参数，得到不同时刻下的隔离段沿程气流参数，并基于发动机隔离段入口截面气流参数和隔离段出口壁面压强参数，得到不同时刻下的隔离段出口马赫数；

步骤4，基于隔离段沿程气流参数，得到隔离段沿程气流参数实时分布，并基于隔离段出口马赫数，对发动机燃烧室的燃烧模态进行实时判别。

在其中一个实施例，步骤2中，所述发动机隔离段入口截面气流参数包括发动机隔离段入口截面的总压、总温、马赫数、速度与静温。

在其中一个实施例，所述发动机隔离段入口截面气流参数的获取过程为：

h₁＝C_p,1×T_t,1＝C_p,2×T_t,2＝h₂ (1)

式(1)中，h₁、h₂分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面总焓，C_p,1、C_p,2分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面定压比热容，T_t,1、T_t,2分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面总温；

式(2)中，

为发动机隔离段入口截面气流的质量流量，V₂为发动机隔离段入口截面的气流速度，ρ₂为发动机隔离段入口截面的气流密度，A₂为发动机隔离段入口截面的面积；

P₂＝ρ₂RT₂ (3)

式(3)中，P₂为发动机隔离段入口截面气流的静压，T₂为发动机隔离段入口截面的静温，R为气体常数；

式(4)-(6)中，Ma₁为发动机隔离段入口马赫数，P_t,1为发动机隔离段入口截面的总压，γ₂为发动机隔离段入口截面的比热比；

联立式(1)-(6)，即能得到发动机隔离段入口截面的总压P_t,2、总温T_t,2、马赫数Ma₂、速度V₂与静温T₂。

在其中一个实施例，步骤3中，所述隔离段沿程气流参数包括隔离段各沿程截面的总温、总压、马赫数、速度和静温，其获取过程为：

建立发动机隔离段入口截面与沿程指定位置i截面的总焓守恒、质量守恒方程及对应截面的气体状态方程，联立可以求得发动机隔离段指定位置i截面的总压P_t,i、总温T_t,i、马赫数Ma_i、速度V_i与静温T_i；

同理可得发动机隔离段出口截面的总压P_t,3、总温T_t,3、马赫数Ma₃、速度V₃与静温T₃。

在其中一个实施例，步骤4中，所述基于隔离段沿程气流参数，得到隔离段沿程气流参数实时分布，具体为：

根据步骤3中所得到的不同时刻下的隔离段沿程气流参数，处理得到发动机隔离段沿程气流参数随时间变化分布图。

在其中一个实施例，步骤4中，所述基于隔离段出口马赫数，对发动机燃烧室的燃烧模态进行实时判别，具体为：

当隔离段出口马赫数大于1时，判断发动机燃烧室为超燃模态；

当隔离段出口马赫数小于1时，判断发动机燃烧室为亚燃模态；

当隔离段出口马赫数等于1时，判断发动机燃烧室为混合/过渡模态。

在其中一个实施例，空气加热器出口至发动机隔离段均做绝热处理。

本发明提供的一种冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，只需通过开展单次的地面直连试验，实时测量空气加热器压力、发动机隔离段沿程压强参数，即可以直接得到发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数，在节约了数值计算成本的同时，还为发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数提供了一种快速、实时的确定方法。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中双模态超燃冲压发动机结构示意图；

图2为本发明实施例中空气加热器与发动机隔离段的结构示意图；

图3为本发明实施例中冲压发动机燃烧模态及隔离段沿程气流参数实时的确定方法流程示意图；

图4为本发明实施例中计算得到的隔离段出口截面马赫数-时间曲线示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

冲压发动机地面直连试验一般以地面直连试验为主，其中隔离段与空气加热器直接相连，连接结构如图2所示。图2中，截面0为空气加热器燃烧室入口截面，截面1为空气加热器燃烧室出口截面，截面2为空气加热器出口截面，也是发动机隔离段入口截面，截面3为隔离段出口截面，截面4为发动机燃烧室出口截面。地面直连试验系统一般由加热器和发动机燃烧室组成，由于模拟高马赫数来流条件，一般采用燃烧式加热器，以酒精加热器为例，加热器燃烧式内按照设定流量通入空气、酒精和氧气，在加热器燃烧室内完全燃烧后进入加热器喷管，在加热器喷管喉部达到声速后继续膨胀加速至设定的发动机隔离段入口马赫数。此时进入燃烧室入口的气流条件就是模拟高超声速来流经过高超声速进气道压缩之后的来流，随后经过隔离段再进入发动机的燃烧室与燃料进行掺混燃烧，高温燃烧产物经由燃烧室出口排出。试验测量的参数除了发动机隔离段沿程压强参数之后，即本实施例中确定方法中的静压，还有空气加热器各组分质量流量、燃烧室压力等。

参考图3，本实施例中基于地面直连试验的冲压发动机燃烧模态及隔离段沿程气流参数实时的确定方法具体包括如下步骤：

步骤1，获取超燃冲压发动机地面直连试验中酒精-氧气空气加热器燃烧室内压强参数、各组分流量参数和出口截面面积以及发动机隔离段沿程壁面压强参数；

其中，流量参数包括空气加热器中酒精、氧气和空气的质量流量、空气加热器出口气流质量流量，压强参数包括空气加热器燃烧室压强、空气加热器中酒精、氧气和空气喷注压强、空气加热器出口压强和发动机隔离段沿程壁面压强，出口截面面积则为空气加热器出口截面面积和隔离段入口截面面积。在具体实施过程中，酒精-氧气空气加热器中酒精、氧气和空气喷注压强可以通过压力传感器测得，进而得到各组分质量流量；加热器出口和隔离段入口截面面积可以直接测得；发动机隔离段沿程压强参数可以通过压力扫描阀及终端实时测量并记录。

步骤2，基于地面直连试验中酒精-氧气空气加热器燃烧室内压强参数、各组分流量参数和出口截面面积，得到发动机隔离段入口截面气流参数；

参考图2的空气加热器与发动机隔离段连接示意图，其中截面1为空气加热器燃烧室出口截面，截面2为空气加热器出口截面，也是发动机隔离段入口截面。发动机隔离段入口截面气流参数包括总温、总压、马赫数、速度和静温，具体获取过程为：

h₁＝C_p,1×T_t,1＝C_p,2×T_t,2＝h₂ (1)

式(1)中，h₁、h₂分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面总焓，C_p,1、C_p,2分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面定压比热容，T_t,1、T_t,2分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面总温；其中，式(1)成立条件为该流动过程绝热；

式(2)中，

为发动机隔离段入口截面气流的质量流量，V₂为发动机隔离段入口截面的气流速度，ρ₂为发动机隔离段入口截面的气流密度，A₂为发动机隔离段入口截面的面积；

P₂＝ρ₂RT₂ (3)

式(3)中，P₂为发动机隔离段入口截面气流的静压，T₂为发动机隔离段入口截面的静温，R为气体常数。

式(4)-(6)中，Ma₁为发动机隔离段入口马赫数，P_t,1为发动机隔离段入口截面的总压，γ₂为发动机隔离段入口截面的比热比。

联立式(1)-(6)，能得到发动机隔离段入口截面的总压P_t,2、总温T_t,2、马赫数Ma₂、速度V₂与静温T₂。

步骤3，基于发动机隔离段入口截面气流参数和隔离段沿程壁面压力参数，得到不同时刻下的隔离段沿程气流参数；基于发动机隔离段入口截面气流参数和隔离段出口壁面压强参数，得到不同时刻下的隔离段出口马赫数；

发动机隔离段沿程截面气流参数包括总温、总压、马赫数、速度和静温，具体获取方法与步骤2中隔离段入口截面气流参数获取方法相同：分别建立发动机隔离段入口截面与沿程指定位置i截面的总焓守恒、质量守恒方程及对应截面的气体状态方程，联立可以求得发动机隔离段指定位置i截面的总压P_t,i、总温T_t,i、马赫数Ma_i、速度V_i与静温T_i。

同理，发动机隔离段出口截面马赫数获取方法与步骤2中隔离段入口截面气流马赫数获取方法相同：分别建立发动机隔离段入口截面与隔离段出口截面的总焓守恒、质量守恒方程及气体状态方程，联立可以求得发动机隔离段出口截面的总压P_t,3、总温T_t,3、马赫数Ma₃、速度V₃与静温T₃。

经过步骤1-3，即可由一次地面直连发动机试验得到不同时刻发动机隔离段入口截面、沿程截面和出口截面的总压、总温、马赫数、速度与静温参数。以往研究中，此过程需要高精度三维数值模拟，而这项工作十分耗时。而本实施例只需通过开展单次的地面直连试验，实时测量空气加热器压力、发动机隔离段沿程压强参数，即可以直接得到发动机燃烧室燃烧模态及隔离段沿程气流参数，有效地节约了计算成本。

步骤4，基于隔离段沿程气流参数，得到隔离段沿程气流参数实时分布；基于隔离段出口马赫数，对发动机燃烧室燃烧模态进行实时判别；

隔离段沿程截面气流参数实时分布中，气流参数包括总压P_t,i、总温T_t,i、马赫数Ma_i、速度V_i与静温T_i，通过步骤3中获取的不同时刻下发动机隔离段沿程i截面气流参数，处理得到发动机隔离段沿程气流参数随时间变化分布图。

隔离段出口截面马赫数由步骤3获取不同时刻下发动机隔离段出口马赫数，可以获得如图4所示的隔离段出口马赫数随时间变化。发动机燃烧室燃烧模态，根据发动机隔离段出口马赫数与1的关系得出：

当隔离段出口马赫数大于1时，判断发动机燃烧室为超燃模态；当隔离段出口马赫数小于1时，判断发动机燃烧室为亚燃模态；当隔离段出口马赫数等于1时，判断发动机燃烧室为混合/过渡模态。

需要注意的是，本实施例中对于模拟出的冲压发动机做出如下设定：

1、空气加热器出口至发动机隔离段均绝热处理；

2空气加热器出口至发动机隔离段内部流动满足气体状态方程。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，其特征在于，基于地面直连试验，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取超燃冲压发动机地面直连试验中空气加热器的燃烧室内压强参数、各组分流量参数、出口截面面积以及发动机隔离段沿程壁面压强参数；

步骤2，基于地面直连试验中空气加热器的燃烧室内压强参数、各组分流量参数和出口截面面积，得到发动机隔离段入口截面气流参数；

步骤3，基于发动机隔离段入口截面气流参数和隔离段沿程壁面压强参数，得到不同时刻下的隔离段沿程气流参数，并基于发动机隔离段入口截面气流参数和隔离段出口壁面压强参数，得到不同时刻下的隔离段出口马赫数；

步骤4，基于隔离段沿程气流参数，得到隔离段沿程气流参数实时分布，并基于隔离段出口马赫数，对发动机燃烧室的燃烧模态进行实时判别。

2.根据权利要求1所述的冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，其特征在于，步骤2中，所述发动机隔离段入口截面气流参数包括发动机隔离段入口截面的总压、总温、马赫数、速度与静温。

3.根据权利要求2所述的冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，其特征在于，所述发动机隔离段入口截面气流参数的获取过程为：

h₁＝C_p，1×T_t，1＝C_p，2×T_t，2＝h₂ (1)

式(1)中，h₁、h₂分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面总焓，C_p，1、C_p，2分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面定压比热容，T_t，1、T_t，2分别表示空气加热器燃烧室出口和发动机隔离段入口截面总温；

式(2)中，

为发动机隔离段入口截面气流的质量流量，V₂为发动机隔离段入口截面的气流速度，ρ₂为发动机隔离段入口截面的气流密度，A₂为发动机隔离段入口截面的面积；

P₂＝ρ₂RT₂ (3)

式(3)中，P₂为发动机隔离段入口截面气流的静压，T₂为发动机隔离段入口截面的静温，R为气体常数；

式(4)-(6)中，Ma₁为发动机隔离段入口马赫数，P_t，1为发动机隔离段入口截面的总压，γ₂为发动机隔离段入口截面的比热比；

联立式(1)-(6)，即能得到发动机隔离段入口截面的总压P_t，2、总温T_t，2、马赫数Ma₂、速度V₂与静温T₂。

4.根据权利要求1或2或3所述的冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，其特征在于，步骤3中，所述隔离段沿程气流参数包括隔离段各沿程截面的总温、总压、马赫数、速度和静温，其获取过程为：

建立发动机隔离段入口截面与沿程指定位置i截面的总焓守恒、质量守恒方程及对应截面的气体状态方程，联立可以求得发动机隔离段指定位置i截面的总压P_t，i、总温T_t，i、马赫数Ma_i、速度V_i与静温T_i；

同理可得发动机隔离段出口截面的总压P_t，3、总温T_t，3、马赫数Ma₃、速度V₃与静温T₃。

5.根据权利要求1或2或3所述的冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，其特征在于，步骤4中，所述基于隔离段沿程气流参数，得到隔离段沿程气流参数实时分布，具体为：

根据步骤3中所得到的不同时刻下的隔离段沿程气流参数，处理得到发动机隔离段沿程气流参数随时间变化分布图。

6.根据权利要求1或2或3所述的冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，其特征在于，步骤4中，所述基于隔离段出口马赫数，对发动机燃烧室的燃烧模态进行实时判别，具体为：

当隔离段出口马赫数大于1时，判断发动机燃烧室为超燃模态；

当隔离段出口马赫数小于1时，判断发动机燃烧室为亚燃模态；

当隔离段出口马赫数等于1时，判断发动机燃烧室为混合/过渡模态。

7.根据权利要求1或2或3所述的冲压发动机燃烧模态及隔离段气流参数实时确定方法，其特征在于，空气加热器出口至发动机隔离段均做绝热处理。

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