CN116562193B - 旋转爆震发动机燃烧效率分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种旋转爆震发动机燃烧效率分析方法及系统，涉及旋转爆震发动机技术领域，采用沿燃烧室出口周向均匀间隔分布的多个测试位置进行压力检测，并由此计算燃烧室出口静压，相较于温度检测响应速度更快，并且可以解决旋转爆震发动机因内部流场时间非定常性和空间非均匀性导致的燃烧效率难以准确分析的技术问题，分析燃烧效率仅通过压力检测，根据气体动力学函数计算得出燃烧室出口总温，并根据温升法计算燃烧室燃烧效率，无需布置热电偶，进而无需设置水冷装置，燃烧效率分析更加便捷、准确。
Description
技术领域
本发明涉及旋转爆震发动机技术领域，尤其是涉及一种旋转爆震发动机燃烧效率分析方法及系统。
背景技术
旋转爆震发动机运行时，燃料与氧化剂的混合气在燃烧室内经旋转爆震波燃烧后，燃料中的化学能转变为热能加热工质，形成高压高温燃气，燃气经喷管流出发动机形成推力。燃料燃烧时，绝大部分燃料释放热量，但有一部燃料来不及燃烧直接随气流流出喷管。将实际加热工质的热量与该燃料在绝热条件下完全燃烧时所释出的热量之比称为燃烧效率，通过燃烧效率可评价旋转爆震发动机的燃料有效利用率，并以此作为旋转爆震发动机的重要性能参数。
现有的燃烧效率分析方法，主要是通过测量温度和燃气成分分析，但旋转爆震发动机流场复杂，流场存在空间上非均匀性，具有周向和轴向速度分量，难以准确测温，进而导致原有燃烧效率分析方法难以适用。此外，温度传感器响应速度慢，在时间上存在非定常性，不能反映瞬态的燃烧效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转爆震发动机燃烧效率分析方法及系统，以缓解旋转爆震发动机燃烧效率分析结果存在时间和空间非定常性的技术问题。
第一方面，本发明提供的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法包括以下步骤：
获取沿燃烧室出口周向均匀间隔分布的多个测试位置在爆震波稳定运动时的压力pi,t，其中，i为测试位置序号，t为压力采集时间；
根据公式，计算燃烧室出口静压ps4，其中，x为压力测试位置总数；
根据气体动力学函数计算燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4；
根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，根据气体动力学函数计算燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4的步骤包括：
计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave；
获取燃烧室出口比热比初值γ4、喷管出口比热比初值γ8和喷管出口马赫数Ma8；
获取燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8；
根据公式，计算燃烧室出口马赫数Ma4，其中，Ma8=1；
根据公式，计算燃烧室出口总压Pt4；
根据公式，计算燃烧室出口总温Tt4；
根据公式，计算燃烧室出口静温Ts4。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave的步骤包括：
获取燃烧效率初值η0；
根据公式，计算参与燃烧的燃油流量mf,c；
根据公式，计算参与燃烧的空气流量ma,c，L0为完全燃烧单位燃油需要的理论空气量；
根据公式，计算未参与燃烧的燃油流量mf,nc；
根据公式，计算未参与燃烧的空气流量ma,nc；
设定燃油平均化学式为CmHn，且燃烧产物为二氧化碳和水蒸气；
根据公式，计算燃烧产物中二氧化碳的流量/>，其中，为二氧化碳分子质量，/>为燃油分子质量；
根据公式，计算燃烧产物中的水蒸气流量/>，其中，为水蒸气分子质量；
根据公式，计算未参与燃烧空气中的氮气流量/>，其中，/>为氮气的质量分数；
根据公式，计算未参与燃烧空气中的氧气流量/>，其中，为氧气的质量分数；
根据公式，计算燃烧室内各组分气体的质量占比/>，其中，j组分包含氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和煤油蒸汽，n0=5；
根据公式，计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave，其中，Rj为j组分的气体常数。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc的步骤包括：
计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave；
根据公式，计算燃烧室出口比热比算值γ4,ave，其中，C4p,ave为燃烧室出口气体质量平均定压比热，C4v,ave为燃烧室出口气体质量平均定容比热，且C4v,ave=C4p,ave-Rave；
计算喷管出口总压Pt8、喷管出口总温Tt8和喷管出口静温Ts8；
计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave；
根据公式，计算喷管出口比热比算值γ8ave，其中，C8p,ave为喷管出口气体质量平均定压比热，C8v,ave为喷管出口气体质量平均定容比热，且C8v,ave=C8p,ave-Rave；
根据公式，计算燃烧室燃烧效率算值ηc，其中，/>为空气的定压比热，/>为燃油的定压比热，Tt2为喷注段入口空气总温，ma为进入燃烧室的空气流量，mf为进入燃烧室的燃油流量，mg为燃烧室内的油气混合物流量，mg=ma+mf，LHV为燃油的低热值。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，对燃烧室出口比热比、喷管出口比热比和燃烧室燃烧效率三者中至少其一进行迭代；
对燃烧室出口比热比进行迭代的步骤包括：比较燃烧室出口比热比初值γ4与燃烧室出口比热比算值γ4,ave的差值是否小于第一预设差值，若否则将燃烧室出口比热比算值γ4,ave赋值于燃烧室出口比热比初值γ4，重新计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave和燃烧室出口比热比算值γ4,ave，直至燃烧室出口比热比初值γ4与燃烧室出口比热比算值γ4ave的差值小于第一预设差值；
对喷管出口比热比进行迭代的步骤包括：比较喷管出口比热比初值γ8与喷管出口比热比算值γ8,ave的差值是否小于第二预设差值，若否则将喷管出口比热比算值γ8,ave赋值于喷管出口比热比初值γ8，重新计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave和喷管出口比热比算值γ8,ave，直至喷管出口比热比初值γ8与喷管出口比热比算值γ8,ave的差值小于第二预设差值；
对燃烧室燃烧效率进行迭代的步骤包括：比较燃烧室燃烧效率算值ηc与燃烧效率初值η0的差值是否小于第三预设差值，若否则将燃烧室燃烧效率算值ηc赋值于燃烧效率初值η0，根据燃烧效率初值η0计算燃烧室内各种物质组分，重新计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave、燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4、燃烧室出口静温Ts4、燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave、燃烧室出口比热比算值γ4,ave、喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave、喷管出口比热比算值γ8ave和燃烧室燃烧效率算值ηc，直至燃烧室燃烧效率算值ηc与燃烧效率初值η0的差值小于第三预设差值。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave的步骤包括：
根据公式，计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave，其中，/>为燃烧室内i组分气体的质量占比，/>为燃烧室出口处i组分的定压比热，，a4、b4、d4、e4和f4分别为多项式计算参数。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，计算喷管出口总压Pt8、喷管出口总温Tt8和喷管出口静温Ts8的步骤包括：
根据公式，计算排气喷管出口总压Pt8，其中，Ma8=1；
根据公式，计算燃烧室出口总温Tt8，其中，A8为排气喷管出口面积；
根据公式，计算燃烧室出口静温Ts8。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave的步骤包括：
根据公式，计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave，其中，/>为燃烧室内i组分气体的质量占比，/>为喷管出口处i组分的定压比热，，a8、b8、d8、e8和f8分别为多项式计算参数。
第二方面，本发明提供的旋转爆震发动机燃烧效率分析系统，包括：
多个压力传感器，多个压力传感器分别连接于火焰筒，且多个压力传感器沿燃烧室出口周向均匀间隔分布；
交互器，用于输入初始条件，并输出分析结果，初始条件包括：燃烧室出口比热比初值γ4、喷管出口比热比初值γ8、喷管出口马赫数Ma8、燃烧效率初值η0、获取燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8，分析结果包括燃烧室燃烧效率算值ηc；
处理器，交互器和多个压力传感器分别与处理器连接，处理器用于计算获得燃烧室出口静压ps4、燃烧室内各种物质组分、燃烧室内气体质量平均气体常数Rave、燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave、燃烧室出口气体质量平均定容比热C4v,ave、燃烧室出口比热比算值γ4,ave、喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave、喷管出口气体质量平均定容比热C8v,ave、喷管出口比热比算值γ8,ave和燃烧室燃烧效率算值ηc。
结合第二方面，本发明提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，旋转爆震发动机燃烧效率分析系统还包括：流量计和温度传感器，流量计和温度传感器分别与处理器连接；
流量计安装于供油管路，温度传感器安装于旋转爆震发动机的喷注段。
本发明实施例带来了以下有益效果：采用沿燃烧室出口周向均匀间隔分布的多个测试位置进行压力检测，并由此计算燃烧室出口静压，相较于温度检测响应速度更快，并且可以解决旋转爆震发动机因内部流场时间非定常性和空间非均匀性导致的燃烧效率难以准确分析的技术问题，分析燃烧效率仅通过压力检测，根据气体动力学函数计算得出燃烧室出口总温，并根据温升法计算燃烧室燃烧效率，无需布置热电偶，进而无需设置水冷装置，燃烧效率分析更加便捷、准确。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法的流程示意图；
图2为旋转爆震发动机的剖视图；
图3为旋转爆震发动机的示意图。
图标：1-喷注段；2-扩压器；3-火焰筒；4-排气喷管；5-喷嘴；6-起爆装置；7-压力传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，包括：获取沿燃烧室出口周向均匀间隔分布的多个测试位置在爆震波稳定运动时的压力pi,t，其中，i为测试位置序号，t为压力采集时间；根据公式，计算燃烧室出口静压ps4，其中，x为压力测试位置总数；根据气体动力学函数计算燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4；根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc。
采用上述旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，即使爆震波在燃烧室内沿周向高频传播，导致燃烧室在空间上存在高度的非均匀性，在时间上存在强非定常性，通过沿燃烧室出口周向均匀间隔分布的多个测试位置分别进行压力采集，并计算燃烧室出口静压ps4，不仅可以解决静压测量的时间非定常性问题，而且相较于以往通过测温分析燃烧效率的方式压力响应速度更快，通过计算燃烧室出口静压，根据气体动力学函数，得到燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4，根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc，无需布置热电偶，进而无需设置水冷装置，燃烧效率分析更加便捷、准确。
需要说明的是，可在本方法的初始阶段获取输入燃烧室出口面积A4、排气喷管出口面积A8、空气质量流量ma、空气定压比热Cpa、燃油质量流mf、燃油定压比热Cpf和燃烧室入口总温Tt2和燃烧效率初值η0。其中，燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8可提前测算获得，燃油质量流mf通过安装于供油管路的流量计测得，压缩空气进入电加热器前采用流量函数法，测量总温总压，结合孔板吼道面积，间接测出进入发动机的空气质量流量ma，在喷注段入口通过温度传感器测量获得燃烧室入口总温Tt2，燃烧效率初值η0可根据相似型号的旋转爆震发动机预估获得，亦可由其他燃烧效率分析方法获得，并代入本实施方式提供的分析方法，从而获得更佳准确的燃烧室燃烧效率算值ηc。此外，在根据气体动力学函数计算燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4的步骤中，通过迭代计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave和比热比γave，可以克服燃气的比热和比热比等物性参数，随燃气温度和燃气组分变化而产生较大变化的问题，能够实现以燃烧室出口静压和燃烧室流量为约束，迭代求解燃气的比热比等物性参数和燃气的温度等气动热力学参数，进而精准求解燃烧室燃烧效率。上述燃气不仅指燃油，进入燃烧室的空气和燃料的混合气统称为燃烧室内的燃气。
此外，在计算燃烧室出口静压ps4的步骤中，∆t大于等于10ms，每个测试位置压力pi,t的采样频率大于等于10kHz。通过求解每个压力传感器7∆t时间内的算数平均压力，并将沿燃烧室出口周向均匀间隔分布的多个压力值求平均，从而得到准确的燃烧室出口静压ps4，可以避免分析结果存在时间和空间非定常性的技术问题。
在本发明实施例中，根据气体动力学函数计算燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4的步骤包括：计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave；获取燃烧室出口比热比初值γ4、喷管出口比热比初值γ8和喷管出口马赫数Ma8；获取燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8；在发动机排气喷管达到临界状态时进行测试，根据公式，计算燃烧室出口马赫数Ma4，其中，Ma8=1；根据公式/>，计算燃烧室出口总压Pt4；根据公式，计算燃烧室出口总温Tt4；根据公式/>，计算燃烧室出口静温Ts4。
进一步的，计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave的步骤包括：获取燃烧效率初值η0；根据公式，计算参与燃烧的燃油流量mf,c；根据公式/>，计算参与燃烧的空气流量ma,c，L0为完全燃烧单位燃油需要的理论空气量；根据公式，计算未参与燃烧的燃油流量mf,nc；根据公式/>，计算未参与燃烧的空气流量ma,nc；设定燃油平均化学式为CmHn，且燃烧产物为二氧化碳和水蒸气；根据公式/>，计算燃烧产物中二氧化碳的流量/>，其中，/>为二氧化碳分子质量，/>为燃油分子质量；根据公式/>，计算燃烧产物中的水蒸气流量/>，其中，/>为水蒸气分子质量；根据公式，计算未参与燃烧空气中的氮气流量/>，其中，/>为氮气的质量分数；根据公式/>，计算未参与燃烧空气中的氧气流量/>，其中，/>为氧气的质量分数；根据公式/>，计算燃烧室内各组分气体的质量占比/>，其中，j组分包含氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和煤油蒸汽，n0=5；根据公式/>，计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave，其中，/>为j组分的气体常数。
进一步的，根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc的步骤包括：计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave；根据公式，计算燃烧室出口比热比算值γ4,ave，其中，C4p,ave为燃烧室出口气体质量平均定压比热，C4v,ave为燃烧室出口气体质量平均定容比热，且C4v,ave=C4p,ave-Rave；计算喷管出口总压Pt8、喷管出口总温Tt8和喷管出口静温Ts8；计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave；根据公式/>，计算喷管出口比热比算值γ8ave，其中，C8p,ave为喷管出口气体质量平均定压比热，C8v,ave为喷管出口气体质量平均定容比热，且C8v,ave=C8p,ave-Rave；根据公式/>，计算燃烧室燃烧效率算值ηc，其中，/>为空气的定压比热，/>为燃油的定压比热，Tt2为喷注段入口空气总温，ma为进入燃烧室的空气流量，mf为进入燃烧室的燃油流量，mg为燃烧室内的油气混合物流量，mg=ma+mf，LHV为燃油的低热值。
进一步的，对燃烧室出口比热比、喷管出口比热比和燃烧室燃烧效率三者中至少其一进行迭代；对燃烧室出口比热比进行迭代的步骤包括：比较燃烧室出口比热比初值γ4与燃烧室出口比热比算值γ4,ave的差值是否小于第一预设差值，若否则将燃烧室出口比热比算值γ4,ave赋值于燃烧室出口比热比初值γ4，重新计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave和燃烧室出口比热比算值γ4,ave，直至燃烧室出口比热比初值γ4与燃烧室出口比热比算值γ4ave的差值小于第一预设差值；对喷管出口比热比进行迭代的步骤包括：比较喷管出口比热比初值γ8与喷管出口比热比算值γ8,ave的差值是否小于第二预设差值，若否则将喷管出口比热比算值γ8,ave赋值于喷管出口比热比初值γ8，重新计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave和喷管出口比热比算值γ8,ave，直至喷管出口比热比初值γ8与喷管出口比热比算值γ8,ave的差值小于第二预设差值；对燃烧室燃烧效率进行迭代的步骤包括：比较燃烧室燃烧效率算值ηc与燃烧效率初值η0的差值是否小于第三预设差值，若否则将燃烧室燃烧效率算值ηc赋值于燃烧效率初值η0，根据燃烧效率初值η0计算燃烧室内各种物质组分，重新计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave、燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4、燃烧室出口静温Ts4、燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave、燃烧室出口比热比算值γ4,ave、喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave、喷管出口比热比算值γ8ave和燃烧室燃烧效率算值ηc，直至燃烧室燃烧效率算值ηc与燃烧效率初值η0的差值小于第三预设差值。
参见图1，第一预设差值、第二预设差值和第三预设差值皆可取值为e，e≤0.001。当满足收敛条件时结束相应计算步骤，并进行下一步骤，在燃烧室出口比热比、喷管出口比热比和燃烧室燃烧效率三者皆进行迭代计算时，燃烧室燃烧效率算值ηc的精度达到最高。
进一步的，计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave的步骤包括：根据公式，计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave，其中，/>为燃烧室内i组分气体的质量占比，/>为燃烧室出口处i组分的定压比热，，a4、b4、d4、e4和f4分别为多项式计算参数，可通过查询工程热力学文献获得。
进一步的，计算喷管出口总压Pt8、喷管出口总温Tt8和喷管出口静温Ts8的步骤包括：根据公式，计算排气喷管出口总压Pt8，其中，Ma8=1；根据公式/>，计算燃烧室出口总温Tt8，其中，A8为排气喷管出口面积；根据公式/>，计算燃烧室出口静温Ts8。
进一步的，计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave的步骤包括：根据公式，计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave，其中，/>为燃烧室内i组分气体的质量占比，/>为喷管出口处i组分的定压比热，，a8、b8、d8、e8和f8分别为多项式计算参数，可通过查询工程热力学文献获得。
如图1所示，流程示意图将上述分析方法的步骤整合、简化，可将其转换为相应的计算机语言植入分析系统的处理器。
如图2和图3所示，旋转爆震发动机，包括：喷注段1、扩压器2、火焰筒3、排气喷管4、喷嘴5和起爆装置6，喷注段1、扩压器2、火焰筒3和排气喷管4同轴并沿轴向依次设置，多个喷嘴5设置于喷注段1，且多个喷嘴5沿喷注段1的周向间隔设置。火焰筒3接近扩压器2的位置安装有起爆装置6，通过起爆装置6点火起爆，爆震波沿火焰筒3周向传递，以火焰筒3内环形腔作为燃烧室，并向排气喷管4传递，以使尾气经排气喷管4喷出。本发明实施例提供的旋转爆震发动机燃烧效率分析系统，包括：多个压力传感器7，多个压力传感器7分别连接于火焰筒3，且多个压力传感器7沿燃烧室出口周向均匀间隔分布；交互器，用于输入初始条件，并输出分析结果，初始条件包括：燃烧室出口比热比初值γ4、喷管出口比热比初值γ8、喷管出口马赫数Ma8、燃烧效率初值η0、获取燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8，分析结果包括燃烧室燃烧效率算值ηc；处理器，交互器和多个压力传感器7分别与处理器连接，处理器可植入上述任一实施方式记载的分析方法，并用于计算获得燃烧室出口静压ps4、燃烧室内各种物质组分、燃烧室内气体质量平均气体常数Rave、燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave、燃烧室出口气体质量平均定容比热C4v,ave、燃烧室出口比热比算值γ4,ave、喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave、喷管出口气体质量平均定容比热C8v,ave、喷管出口比热比算值γ8,ave和燃烧室燃烧效率算值ηc。
需要说明的是，压力传感器7的数量理论上越多，从而克服流场周向上非均匀性的能力更强，考虑到运算量和测试精度需要，优选将压力传感器7的数量设置为8个。
在本发明实施例中，旋转爆震发动机燃烧效率分析系统还包括：流量计和温度传感器，流量计和温度传感器分别与处理器连接；流量计安装于供油管路，温度传感器安装于旋转爆震发动机的喷注段。需要说明的是，流量计和温度传感器可采用旋转爆震发动机自带的器件，通过相应的接口引出其信号，并连接处理器。
采用上述旋转爆震发动机燃烧效率分析系统，开展测试时，确保发动机排气喷管达到临界状态，利用多个压力传感器7高频检测，可以实现时间和空间上的平均，进而获得平均静压。由可压缩流动的气体动力学函数，得到排气喷管出口的总压，进而计算获得排气喷管总温。根据燃烧室进口总温和排气喷管喉道总温，得到工质经爆震燃烧后的焓变，进而得到旋转爆震发动机的燃烧效率。不仅可以解决旋转爆震发动机工况时间和空间非定常性、难以准确分析燃烧效率的技术问题，而且可以提高燃烧效率分析的便捷性和准确性。
如图1、图2和图3所示，采用上述旋转爆震发动机燃烧效率分析方法及系统，具有以下有益效果：
（1）由于爆震波在燃烧室内沿周向高频传播，导致燃烧室在空间上存在高度的非均匀性，在时间上存在强非定常性，上述旋转爆震发动机燃烧效率分析方法及系统在燃烧室出口布置多个压力传感器7采集燃烧室出口静压，解决了燃烧室出口静压的空间非均匀性问题。对多个压力传感器7采集的多个周期静压进行时间平均，得到燃烧室出口静压，解决了静压测量的时间非定常性问题。
（2）通过测量静压，并根据气动动力学函数，得到燃烧室出口总温，根据温升法得到燃烧室的燃烧效率。测量仪器只用到了压力传感器7，不需要布置热电偶，省去了水冷装置，测试装置简单，燃烧效率分析更准确。
（3）克服了燃气的比热和比热比等物性参数，随燃气温度和燃气组分的变化而产生较大变化的技术问题。上述实施方式提供的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法及系统以燃烧室出口静压和燃烧室流量为约束，迭代求解燃气的比热比等物性参数和燃气的温度等气动热力学参数，进而求解燃烧室燃烧效率。考虑温度对物性参数比热比和气体常数的影响，燃烧室出口总压、总温计算更加准确，燃烧室燃烧效率计算准确度更高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取沿燃烧室出口周向均匀间隔分布的多个测试位置在爆震波稳定运动时的压力pi,t，其中，i为测试位置序号，t为压力采集时间；
根据公式，计算燃烧室出口静压ps4，其中，x为压力测试位置总数；
根据气体动力学函数计算燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4；
根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc；
所述根据气体动力学函数计算燃烧室出口马赫数Ma4、燃烧室出口总压Pt4、燃烧室出口总温Tt4和燃烧室出口静温Ts4的步骤包括：
计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave；
获取燃烧室出口比热比初值γ4、喷管出口比热比初值γ8和喷管出口马赫数Ma8；
获取燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8；
根据公式，计算所述燃烧室出口马赫数Ma4，其中，Ma8=1；
根据公式，计算所述燃烧室出口总压Pt4；
根据公式，计算所述燃烧室出口总温Tt4，其中，mg为燃烧室内的油气混合物流量；
根据公式，计算所述燃烧室出口静温Ts4。
2.根据权利要求1所述的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，其特征在于，所述计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave的步骤包括：
获取燃烧效率初值η0；
根据公式，计算参与燃烧的燃油流量mf,c；
根据公式，计算参与燃烧的空气流量ma,c，L0为完全燃烧单位燃油需要的理论空气量；
根据公式，计算未参与燃烧的燃油流量mf,nc；
根据公式，计算未参与燃烧的空气流量ma,nc；其中，ma为进入燃烧室的空气流量，mf为进入燃烧室的燃油流量；
设定燃油平均化学式为CmHn，且燃烧产物为二氧化碳和水蒸气；
根据公式，计算燃烧产物中二氧化碳的流量/>，其中，为二氧化碳分子质量，/>为燃油分子质量；
根据公式，计算燃烧产物中的水蒸气流量/>，其中，为水蒸气分子质量；
根据公式，计算未参与燃烧空气中的氮气流量/>，其中，/>为氮气的质量分数；
根据公式，计算未参与燃烧空气中的氧气流量/>，其中，/>为氧气的质量分数；
根据公式，计算燃烧室内各组分气体的质量占比/>，其中，j组分包含氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和煤油蒸汽，n0=5；
根据公式，计算所述燃烧室内气体质量平均气体常数Rave，其中，Rj为j组分的气体常数。
3.根据权利要求1所述的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，其特征在于，所述根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc的步骤包括：
计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave；
根据公式，计算燃烧室出口比热比算值γ4,ave，其中，C4p,ave为燃烧室出口气体质量平均定压比热，C4v,ave为燃烧室出口气体质量平均定容比热，且C4v,ave=C4p,ave-Rave，其中，Rave为燃烧室内气体质量平均气体常数；
计算喷管出口总压Pt8、喷管出口总温Tt8和喷管出口静温Ts8；
计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave；
根据公式，计算喷管出口比热比算值γ8ave，其中，C8p,ave为喷管出口气体质量平均定压比热，C8v,ave为喷管出口气体质量平均定容比热，且C8v,ave=C8p,ave-Rave；
根据公式，计算燃烧室燃烧效率算值ηc，其中，为空气的定压比热，/>为燃油的定压比热，Tt2为喷注段入口空气总温，ma为进入燃烧室的空气流量，mf为进入燃烧室的燃油流量，mg为燃烧室内的油气混合物流量，mg=ma+mf，LHV为燃油的低热值，Tt4为燃烧室出口总温。
4.根据权利要求3所述的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，其特征在于，对燃烧室出口比热比、喷管出口比热比和燃烧室燃烧效率三者中至少其一进行迭代；
所述对燃烧室出口比热比进行迭代的步骤包括：比较所述燃烧室出口比热比初值γ4与所述燃烧室出口比热比算值γ4,ave的差值是否小于第一预设差值，若否则将所述燃烧室出口比热比算值γ4,ave赋值于所述燃烧室出口比热比初值γ4，重新计算所述燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave和所述燃烧室出口比热比算值γ4,ave，直至所述燃烧室出口比热比初值γ4与所述燃烧室出口比热比算值γ4ave的差值小于所述第一预设差值；
所述对喷管出口比热比进行迭代的步骤包括：比较所述喷管出口比热比初值γ8与所述喷管出口比热比算值γ8,ave的差值是否小于第二预设差值，若否则将所述喷管出口比热比算值γ8,ave赋值于所述喷管出口比热比初值γ8，重新计算所述喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave和所述喷管出口比热比算值γ8,ave，直至所述喷管出口比热比初值γ8与所述喷管出口比热比算值γ8,ave的差值小于所述第二预设差值；
所述对燃烧室燃烧效率进行迭代的步骤包括：比较所述燃烧室燃烧效率算值ηc与燃烧效率初值η0的差值是否小于第三预设差值，若否则将所述燃烧室燃烧效率算值ηc赋值于所述燃烧效率初值η0，根据所述燃烧效率初值η0计算燃烧室内各种物质组分，重新计算所述燃烧室内气体质量平均气体常数Rave、所述燃烧室出口马赫数Ma4、所述燃烧室出口总压Pt4、所述燃烧室出口总温Tt4、所述燃烧室出口静温Ts4、所述燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave、所述燃烧室出口比热比算值γ4,ave、所述喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave、所述喷管出口比热比算值γ8ave和所述燃烧室燃烧效率算值ηc，直至所述燃烧室燃烧效率算值ηc与所述燃烧效率初值η0的差值小于第三预设差值。
5.根据权利要求3所述的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，其特征在于，所述计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave的步骤包括：
根据公式，计算燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave，其中，Yi为燃烧室内i组分气体的质量占比，/>为燃烧室出口处i组分的定压比热，，a4、b4、d4、e4和f4分别为多项式计算参数，Rj为j组分的气体常数。
6.根据权利要求3所述的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，其特征在于，所述计算喷管出口总压Pt8、喷管出口总温Tt8和喷管出口静温Ts8的步骤包括：
根据公式，计算所述排气喷管出口总压Pt8，其中，Ma8=1，γ8为喷管出口比热比初值；
根据公式，计算所述喷管出口总温Tt8，其中，A8为排气喷管出口面积；
根据公式，计算所述喷管出口静温Ts8。
7.根据权利要求3所述的旋转爆震发动机燃烧效率分析方法，其特征在于，所述计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave的步骤包括：
根据公式，计算喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave，其中，为燃烧室内i组分气体的质量占比，/>为喷管出口处i组分的定压比热，，a8、b8、d8、e8和f8分别为多项式计算参数，Rj为j组分的气体常数。
8.一种旋转爆震发动机燃烧效率分析系统，其特征在于，包括：
多个压力传感器（7），多个所述压力传感器（7）分别连接于火焰筒（3），且多个所述压力传感器（7）沿燃烧室出口周向均匀间隔分布；
交互器，用于输入初始条件，并输出分析结果，所述初始条件包括：燃烧室出口比热比初值γ4、喷管出口比热比初值γ8、喷管出口马赫数Ma8、燃烧效率初值η0、获取燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8，所述分析结果包括燃烧室燃烧效率算值ηc；
处理器，所述交互器和多个所述压力传感器（7）分别与所述处理器连接，所述处理器用于计算获得燃烧室出口静压ps4、燃烧室内各种物质组分、燃烧室内气体质量平均气体常数Rave、燃烧室出口气体质量平均定压比热C4p,ave、燃烧室出口气体质量平均定容比热C4v,ave、燃烧室出口比热比算值γ4,ave、喷管出口气体质量平均定压比热C8p,ave、喷管出口气体质量平均定容比热C8v,ave、喷管出口比热比算值γ8,ave和燃烧室燃烧效率算值ηc；
其中，计算获得燃烧室出口静压ps4和燃烧室燃烧效率算值ηc的步骤包括：
获取多个所述压力传感器（7）在爆震波稳定运动时的压力pi,t，其中，i为测试位置序号，t为压力采集时间；
根据公式，计算燃烧室出口静压ps4，其中，x为压力测试位置总数；
计算燃烧室内气体质量平均气体常数Rave；
获取燃烧室出口比热比初值γ4、喷管出口比热比初值γ8和喷管出口马赫数Ma8；
获取燃烧室出口面积A4和排气喷管出口面积A8；
根据公式，计算所述燃烧室出口马赫数Ma4，其中，Ma8=1；
根据公式，计算所述燃烧室出口总压Pt4；
根据公式，计算所述燃烧室出口总温Tt4，其中，mg为燃烧室内的油气混合物流量；
根据公式，计算所述燃烧室出口静温Ts4；
根据温升法计算燃烧室燃烧效率算值ηc。
9.根据权利要求8所述的旋转爆震发动机燃烧效率分析系统，其特征在于，还包括：流量计和温度传感器，所述流量计和所述温度传感器分别与所述处理器连接；
所述流量计安装于供油管路，所述温度传感器安装于旋转爆震发动机的喷注段。
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