CN212359970U - 超声速流动混合增强的装置及火箭冲压组合循环发动机 - Google Patents
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Abstract
一种超声速流动混合增强的装置及火箭冲压组合循环发动机，包括在两股来流中间设置的增混隔板，增混隔板前段为一定厚度的平板，增混隔板后段的上表面为呈正弦波形状的正弦函数分布曲面板。增混隔板前段和后段连接在一起组成本实用新型的流动混合增强装置。本实用新型通过正弦函数分布曲面板激发流动大尺度不稳定特征来实现混合增强。本实用新型不需要外加激励能源，结构简单，同时克服了流阻和总压损失大的不足，通过正弦函数分布曲面板的自身不稳定性来促进流动的掺混，具有较强的适用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及航空宇航推进领域的混合增强装置，尤其涉及到一种通过诱导三维效应和马赫波作用来激发流动大尺度不稳定进行超声速流动混合增强的装置。
背景技术
燃料-空气的混合广泛存在于航空宇航推进领域，如火箭-冲压组合循环发动机中，高温富燃燃气经过火箭喷管加速膨胀后形成的超声速射流与超声速空气来流混合燃烧。对于火箭-冲压组合循环发动机推进系统，由于飞行器的尺寸限制，发动机燃烧室长度不过几米，流体驻留时间是几毫秒，导致燃料与空气的混合十分困难，再加上可压缩性和燃烧释热效应进一步导致混合效率低下，因此有必要采取一系列混合增强装置促进掺混。
为了促进流动掺混，国内外研究学者提出许多主动/被动混合增强措施。主动方法主要是通过机械或声学等方式对混合流场输入外部动量和能量，从而扰乱混合层的基本流动状态来促进混合，例如陶瓷振动弹簧片、吸气或吹气、声学激励等；被动方法主要是改变尾缘构型，或者通过添加外部扰动来加快混合层的混合过程，例如锯齿尾缘、波瓣尾缘、突片结构等。这其中，主动混合增强措施由于需要额外引入外部质量源或能量源，在飞行器动力装置中难以应用，目前更多是开展机理方面的研究和探讨。文献(McLaughilin D K,Martens S, Kinzie K W.An experimental investigation of large scaleinstabilities in a low Reynolds number two stream supersonic shear layer[C].AIAA Paper,1992, 92–0177.)研究了超声速流场中温度主动激励对流场发展演化的影响。他们在超声速来流的铝质分隔板后缘位置贴附薄铜质电片，电片与铝质分隔板相绝缘。铜质电片通上高振幅的振荡电压，电压足够高时，电条与分隔板之间产生火花放电效应。电火花在靠近电片的区域能够产生强烈的温度扰动，从而有效地激发出混合层的大尺度结构。然而由于主动增混装置结构复杂，在超声速流道中不易安装，实际操作较为困难。
目前工程应用中更多是采用被动增强措施。文献(P.Gerlinger,P.Stoll,M.Kindler,et al.Numerical investigation of mixing and combustion enhancement insupersonic combustors by strut induced streamwise vorticity.Aerospace Scienceand Technology,2008,12:159–167.)研究了波瓣型支板结构对流场掺混特性的影响，结构如图1所示。上下两层空气和中间层的燃气在结构尾缘相遇后进行混合，波瓣型支板有效地诱导出流向涡结构，通过流向涡与混合层的相互作用促进混合。波瓣型支板结构可以有效地产生流向涡，和普通的支板相比，掺混效率明显提高，但该装置的流阻较大，实际混合燃烧效率提升不明显。
实用新型内容
针对现有技术中已有的主动/被动增混装置存在的结构复杂、优化困难、流动阻力和总压损失大的不足，本实用新型提供一种超声速流动混合增强的装置及火箭冲压组合循环发动机，其具有结构原理简单、适用性广泛、增混效果佳的特点。
为实现上述技术目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：
超声速流动混合增强的装置，包括在两股来流中间设置的增混隔板，增混隔板前段为一定厚度的平板，增混隔板后段的上表面为呈正弦波形状的正弦函数分布曲面板。增混隔板前段和后段连接在一起组成本实用新型的流动混合增强装置。增混隔板的上侧为第一股超声速气流的流道，增混隔板的下侧为第二股超声速气流的流道。第一股超声速气流和第二股超声速气流在增混隔板的末端后相遇形成混合层结构，其中第一股超声速气流流经增混隔板后段的正弦函数分布曲面板后实现混合层的混合增强。具体地，第一股超声速气流流经增混隔板后段的正弦函数分布曲面板时，呈正弦波形状的上表面会激发流动大尺度不稳定特征，同时曲面诱导的马赫波结构会进一步激发流动不稳定；受到扰动的第一股超声速气流在中间隔板的末端后与第二股超声速气流相遇后，会促进混合层流动的提前转捩，流动进一步失稳，混合层中的大尺度结构破碎成小尺度结构，增加了流动的接触面积，从而实现混合增强。
本实用新型中，正弦函数分布曲面板其上侧板面的前段与平板其上侧板面齐平，正弦函数分布曲面板其下侧板面与平板其下侧板面其平面。上方的第一股超声速气流在增混隔板的上方顺着增混隔板的长度方向经平板流向正弦函数分布曲面板，经过正弦函数分布曲面板时流动会提前失稳。由于正弦函数分布曲面板的三维效应和马赫波作用，第一股超声速气流在向下游发展过程中会产生三维流向涡结构。在正弦函数分布曲面板的末端，充分发展的流向涡结构进入主流与混合层大尺度结构相互作用，促使流动进一步失稳，混合层三维特性显著，结构破碎性强，由此提高混合效率。
进一步地，所述平板具有一定的厚度，这里优选设置4mm以上。为了使上下两股超声速气流在平板上充分发展，平板的长度选取为40mm以上。
进一步地，为了让第一股超声速气流充分失稳，正弦函数分布曲面板的长度一般选取为40mm以上，这里优选为43.40mm。正弦函数分布曲面板其正弦周期的选择有一定的要求，一般依据所应用的混合层流场的典型K-H波长来确定。
为确保结构可靠以及结构表面平滑，增混隔板是一体成型的整体结构，即平板和正弦函数分布曲面板是一体化加工成型。在材料的选择上也选择抗疲劳强度好的材料，例如55Si2Mn等合金弹簧钢。
可以将本实用新型装置应用于火箭-冲压组合循环发动机的燃烧室中。本实用新型提供一种火箭冲压组合循环发动机，包括进气道和燃烧室，所述燃烧室内设置有所述的超声速流动混合增强的装置，其中第一股超声速气流即从进气道进入的超声速来流空气，第二股超声速气流即经燃气通道进入的超声速富燃燃气，超声速来流空气和超声速富燃燃气在增混隔板的末端后实现增强混合。
与现有方法相比，本实用新型具有的优点和有益效果包括：
本实用新型通过正弦函数分布曲面板激发流动大尺度不稳定特征来实现混合增强。本实用新型不需要外加激励能源，结构简单，同时克服了流阻和总压损失大的不足，通过正弦函数分布曲面板的自身不稳定性来促进流动的掺混，具有较强的适用性。
附图说明
图1是采用波瓣型支板的被动增混装置；
图2是本实用新型一具体实施例的结构示意图；
图3是图2的剖视图。
附图标记：
1、第一股超声速气流；
2、第二股超声速气流；
3、平板；
4、正弦函数分布曲面板。
具体实施方式
为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1：
参照图2和图3，分别为本实用新型一具体实施例的结构示意图以及剖视图，该装置包括设置在两股超声速气流的超声速流道之间的增混隔板，增混隔板前段为一定厚度的平板3，增混隔板后段的上表面为呈正弦波形状的正弦函数分布曲面板4。
其中：增混隔板上方为供第一股超声速气流1流过的第一超声速流道，增混隔板下方为供第二股超声速气流2流过的第二超声速流道，第一股超声速气流1在增混隔板的上方顺着增混隔板的长度方向流向流动增混隔板的末端，第二股超声速气流2在增混隔板的下方顺着增混隔板的长度方向流向增混隔板的末端。第一股超声速气流1和第二股超声速气流2在增混隔板的末端外实现增强混合。
参照图3，本实施例中，所述平板具有一定的厚度，这里优选设置为H＝5mm。为了使上下两股超声速气流在平板上充分发展，平板3的长度取L＝56.60mm。
正弦函数分布曲面板4的上侧板面为正弦波形状曲面，正弦函数分布曲面板4的下侧板面为与平板3的下侧板面齐平的平面。正弦函数分布曲面板4其上侧板面的前端与平板3的上侧面板齐平。为了激发流动大尺度不稳定，正弦函数分布曲面板4的上侧板面为正弦分布构型。第一股超声速气流1在增混隔板的上方顺着增混隔板的长度方向经平板流向正弦函数分布曲面板4，经过正弦函数分布曲面板4的正弦波形状曲面时流动会失稳。由于正弦状构型的三维效应和马赫波作用，流动在正弦函数分布曲面板4上会形成大尺度流向涡结构，在正弦函数分布曲面板的末端，大尺度流向涡结构进入主流与超声速混合层结构相互作用，促使流动进一步失稳，由此提高混合效率。
为让正弦函数分布曲面板产生的流向涡结构充分发展，正弦函数分布曲面板4沿超声速气流流向的长度一般选取为40.00mm以上，本实施例中优选为 M＝43.40mm。正弦函数分布曲面板分布的正弦函数的周期选择有一定要求，与所应用的具体混合层流动有关，本实例中取周期为2倍的展向涡波长，为21.70，这样可以实现正弦不稳定波与K-H不稳定波的相互作用。
为确保结构可靠以及结构表面平滑，流动增混板是一体成型的整体结构，平板和曲面板是一体化加工成型。在材料的选择上也选择抗疲劳强度好的材料，例如55Si2Mn等合金弹簧钢。
实施例2：
将图1和图2所示装置应用于火箭-冲压组合循环发动机的燃烧室中。本实施例提供一种火箭冲压组合循环发动机，包括进气道、燃烧室，所述燃烧室内设置有如图1和图2所示的超声速流动混合增强的装置，其中第一股超声速气流即从进气道进入的超声速来流空气，第二股超声速气流即经燃气通道进入的超声速富燃燃气，超声速来流空气和超声速富燃燃气在增混隔板的末端后实现增强混合。
上层超声速来流空气和下层富燃燃气在平板3上充分发展后进入正弦函数分布曲面板4，下层富燃燃气在正弦函数分布曲面板4的下侧向右水平流动，而上层来流空气则通过曲面板上侧的正弦状分布曲面，曲面流向长度M＝43.40mm。由于正弦曲面存在的三维不稳定性以及马赫波的作用，上侧来流空气流经曲面后失稳产生大尺度流向涡结构。经过充分发展后流向涡结构进入混合层区域参与混合层的发展与演化。通过流向涡与混合层的相互作用实现结构的破碎作用，促进了流动的高效掺混。本实用新型不需要外加激励能源，结构简单，同时克服了流阻和总压损失大的不足，通过正弦分布曲面的自身不稳定性来促进流动的掺混，具有较强的适用性。
综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种超声速流动混合增强的装置，包括在两股来流中间设置的增混隔板，其特征在于：增混隔板前段为一定厚度的平板，增混隔板后段的上表面为呈正弦波形状的正弦函数分布曲面板。
2.根据权利要求1所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：增混隔板的上侧为第一股超声速气流的流道，增混隔板的下侧为第二股超声速气流的流道。
3.根据权利要求1所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：正弦函数分布曲面板其上侧板面的前段与平板其上侧板面齐平，正弦函数分布曲面板其下侧板面与平板其下侧板面齐平。
4.根据权利要求1所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：所述平板的厚度为4mm以上。
5.根据权利要求4所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：平板的长度选取为40mm以上。
6.根据权利要求1所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：弦函数分布曲面板的长度选取为40mm以上。
7.根据权利要求6所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：弦函数分布曲面板的长度选取为43.40mm。
8.根据权利要求1所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：增混隔板是一体成型的整体结构。
9.根据权利要求1所述的超声速流动混合增强的装置，其特征在于：增混隔板采用55Si2Mn等合金弹簧钢制作而成。
10.一种火箭冲压组合循环发动机，包括进气道、燃烧室，其特征在于，所述燃烧室内设置有如权利要求1至9中任一权利要求所述的超声速流动混合增强的装置，其中第一股超声速气流即从进气道进入的超声速来流空气，第二股超声速气流即经燃气通道进入的超声速富燃燃气，超声速来流空气和超声速富燃燃气在增混隔板的末端后实现增强混合。
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