一种起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法

1.本发明涉及高超声速飞行器设计技术领域，特别涉及斜爆轰发动机燃烧室设计技术领域。


背景技术：

2.高超声速科技作为21世纪航空航天技术的新制高点，对国家的军事、政治和经济具有重要的战略作用。爆轰燃烧能在微秒量级内完成燃料能量释放，同时爆轰波传播速度能达到每秒千米量级，适用于新一代飞行器的高超声速推进系统。斜爆轰发动机采用斜爆轰波进行燃烧组织的推进概念，即燃料和氧化物在发动机燃烧室内部发生爆轰燃烧，进行剧烈的化学反应并产生推力，相比常规超燃冲压发动机具有燃烧室短、飞行马赫数范围宽、重量轻、飞行阻力小且易于重复启动等优点，在高速飞行器的推进系统研发中具有重要地位。
3.国内外学者对尖劈诱导斜爆轰进行了大量研究，包括波系结构及转变特征、爆轰波起爆机制及驻定特性等。斜爆轰波结构及其转变特性受压缩面几何参数、来流马赫数、温度、压力及当量比等因素的影响。斜爆轰波包括斜激波、诱导区、一系列爆燃波及斜爆轰波。从斜激波到斜爆轰波有平滑型过渡和突变型过渡两种过渡结构，且从突变型到平滑型转变存在迟滞现象。斜爆轰起爆和驻定受斜劈角度、当量比、来流马赫数、温度及压力等诸多因素的影响。当斜劈角度大于斜劈临界角度时，斜爆轰波便会脱体，脱体爆轰波存在不稳定性且会出现熄灭和重新起爆的现象。此外，钝头体和圆锥形诱导的斜爆轰也受到国内外学者的关注。锥形爆轰波结构在高马赫数和大锥面角度下与楔面斜爆轰类似，曲率的影响导致在低马赫数和小锥面角度的情况下，波面出现激波与燃烧波的解耦现象。
4.目前主要的斜爆轰发动机由三个部分组成，分别是进气道、燃烧室和尾喷管。高超声速来流气体经过气道的压缩，在燃烧室下壁面前端诱导产生斜激波，斜激波后的高超声速气流在高温高压下发生自点火，进一步诱导产生斜爆轰波。斜爆轰波起爆是斜爆轰发动机应用的核心技术之一，形成和发展过程中伴随着复杂的化学动力学和气体动力学效应，涉及多参数耦合的非线性过程。但是，单纯的由燃烧室下壁面产生的斜激波诱导斜爆轰波，存在诱导区特征长度过长且斜爆轰波易息爆的缺点，严重阻碍了斜爆轰发动机从基础研究走向工程应用。因此，有必要对斜爆轰发动机燃烧室进行优化设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有斜爆轰发动机存在的不足，提供起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，用于加速斜爆轰波的起爆，缩短斜爆轰发动机燃烧室下壁面的长度，减小斜爆轰发动机的尺寸和减轻斜爆轰发动机的重量。
6.为实现上述目的，本发明提出了一种起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，在斜爆轰发动机燃烧室下壁面上添加外加干扰，使斜爆轰发动机燃烧室内斜爆轰波的波系结构产生变化，并使斜爆轰波产生的位置提前。
7.可选地，所述外加干扰为钝头体障碍物和/或横向射流。
8.可选地，所述钝头体障碍物的形状为半圆形、半椭圆形或流线型。所述钝头体障碍物的尺寸可以是任意尺寸。
9.可选地，所述钝头体障碍物设于斜爆轰发动机燃烧室下壁面任意处。
10.可选地，所述横向射流的方向为与斜爆轰发动机燃烧室下壁面垂直。
11.可选地，所述横向射流的马赫数ma≤1。
12.可选地，所述横向射流设于斜爆轰发动机燃烧室下壁面任意处。
13.当所述外加干扰为钝头体障碍物和/或横向射流时，所述钝头体障碍物和横向射流的特征满足上述所述特征。
14.可选地，所述斜爆轰发动机燃烧室内斜爆轰波的波系结构，包括斜爆轰发动机燃烧室下壁面诱导的斜激波和外加干扰产生的弓形激波，斜激波和弓形激波相互作用产生斜爆轰波。
15.可选地，所述斜爆轰波产生的位置提前2-20倍乃至更多。
16.本发明具有以下优点：
17.本发明提出一种起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，在斜爆轰发动机燃烧室下壁面上添加外加干扰，使高超声速来流气体在起爆区受到扰动并形成弓形激波，弓形激波与斜爆轰发动机燃烧室下壁面前端形成的斜激波相互作用，使相互作用产生的斜爆轰波加速起爆，因此在理论上可以缩短斜爆轰发动机燃烧室下壁面的长度，在斜爆轰发动机层面可以减小斜爆轰发动机的尺寸，减轻斜爆轰发动机的重量，在高超声速飞行器总体上可以增加设计的空间，减轻整体的重量，增加飞行的速度。
附图说明
18.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。
19.图1为附加钝头体障碍物的斜爆轰发动机示意图；
20.图2为附加钝头体障碍物的斜爆轰发动机燃烧室工作原理图；
21.图3为附加横向射流的斜爆轰发动机示意图；
22.图4为附加横向射流的斜爆轰发动机燃烧室工作原理图；
23.图5为附加钝头体障碍物和横向射流的斜爆轰发动机示意图；
24.图6为附加钝头体障碍物和横向射流的斜爆轰发动机燃烧室工作原理图；
25.附图标号说明：
26.1、发动机进气道；2、发动机机体；3、发动机燃烧室；4、钝头体障碍物；5、发动机燃烧室上壁面；6、发动机尾喷管；7、发动机燃烧室下壁面；8、斜激波；9、弓形激波；10、斜爆轰波；11、射流喷口；12、横向射流。
27.图7-图12为附加钝头体障碍物的数值模拟图，其中
28.图7-半圆形钝头体障碍物，半径r＝2mm，位置距离前端l＝10mm；
29.图8-半圆形钝头体障碍物，半径r＝2mm，位置距离前端l＝20mm；
30.图9-半圆形钝头体障碍物，半径r＝2mm，位置距离前端l＝30mm；
31.图10-半椭圆形钝头体障碍物，半长轴长a＝3mm，半短轴长b＝2mm，位置距离前端l＝30mm；
32.图11-流线型钝头体障碍物，半长轴长a＝3mm，半短轴长b＝2mm，位置距离前端l＝30mm；
33.图12-流线型钝头体障碍物，半长轴长a＝4.5mm，半短轴长b＝3mm，位置距离前端l＝30mm；
34.图13-图18为附加横向射流的数值模拟图，其中
35.图13-横向射流压力p＝200kpa，位置距离前端l＝80mm；
36.图14-横向射流压力p＝300kpa，位置距离前端l＝80mm；
37.图15-横向射流压力p＝300kpa，位置距离前端l＝70mm；
38.图16-横向射流压力p＝300kpa，位置距离前端l＝90mm；
39.图17-横向射流压力p＝300kpa，位置距离前端l＝100mm；
40.图18-横向射流压力p＝300kpa，位置距离前端l＝110mm；
41.图19-图23为附加钝头体障碍物和横向射流的数值模拟图，其中
42.图19-半椭圆形钝头体障碍物，半长轴长a＝3mm，半短轴长b＝2mm，位置距离前端l＝10mm，横向射流压力p＝100kpa；
43.图20-半椭圆形钝头体障碍物，半长轴长a＝3mm，半短轴长b＝2mm，位置距离前端l＝10mm，横向射流压力p＝200kpa；
44.图21-半椭圆形钝头体障碍物，半长轴长a＝3mm，半短轴长b＝2mm，位置距离前端l＝10mm，横向射流压力p＝300kpa；
45.图22-半椭圆形钝头体障碍物，半长轴长a＝3mm，半短轴长b＝2mm，位置距离前端l＝20mm，横向射流压力p＝300kpa；
46.图23-半椭圆形钝头体障碍物，半长轴长a＝3mm，半短轴长b＝2mm，位置距离前端l＝30mm，横向射流压力p＝300kpa；
47.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
48.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。
49.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示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。
50.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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。另外，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。
51.实施例1
52.如图1所示，一种斜爆轰发动机，包括发动机机体2、发动机进气道1、发动机燃烧室3、发动机尾喷管6，发动机燃烧室下壁面7上设有钝头体障碍物4。
53.如图2所示，附加钝头体障碍物4的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆方法的具体原理是，通过在斜爆轰发动机燃烧室下壁面7上设置形状为半圆形、半椭圆形或流线型的钝头体障碍物4，使得高超声速来流气体受到钝头体障碍物4的影响，在斜爆轰波起爆区受到扰动，在钝头体障碍物4前方产生弓形激波9，钝头体障碍物4前方产生的弓形激波9与发动机燃烧室下壁面7前端产生的斜激波8相互作用产生斜爆轰波10。
54.实施例2
55.如图3所示，一种斜爆轰发动机，包括发动机机体2、发动机进气道1、发动机燃烧室3、发动机尾喷管6，发动机燃烧室下壁面7上设有射流喷口11，所述射流喷口11可喷射方向为与斜爆轰发动机燃烧室下壁面7垂直的横向射流12，所述横向射流12的马赫数ma≤1。
56.如图4所示，附加横向射流12的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆方法的具体原理是，通过在斜爆轰发动机燃烧室下壁面7上设置射流喷口11，使得高超声速来流气体受到射流喷口11喷射的方向与斜爆轰发动机燃烧室下壁面7垂直的横向射流12的影响，在斜爆轰波起爆区受到扰动，在横向射流12前方产生弓形激波9，横向射流12前方产生的弓形激波9与发动机燃烧室下壁面7前端产生的斜激波8相互作用产生斜爆轰波10。
57.实施例3
58.如图5所示，一种斜爆轰发动机，包括发动机机体2、发动机进气道1、发动机燃烧室3、发动机尾喷管6，发动机燃烧室下壁面7上设有钝头体障碍物4和射流喷口11，所述射流喷口11设于钝头体障碍物4的顶部，所述钝头体障碍物4的形状为半圆形、半椭圆形或流线型，所述射流喷口11可喷射方向为与斜爆轰发动机燃烧室下壁面7垂直的横向射流12，所述横向射流12的马赫数ma≤1。
59.如图6所示，附加钝头体障碍物4和横向射流12的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆方法的具体原理是，通过在斜爆轰发动机燃烧室下壁面7上设置钝头体障碍物4和射流喷口11，使得高超声速来流气体受到钝头体障碍物4和横向射流12的影响，在斜爆轰波起爆区受到扰动，在钝头体障碍物4前方产生弓形激波9，钝头体障碍物4前方产生的弓形激波9与发动机燃烧室下壁面7前端产生的斜激波8相互作用产生斜爆轰波10。由于横向射流12相当于一个气体障碍物，和单独设置一个钝头体障碍物相比，产生的扰动更加剧烈，钝头体障碍物4前产生的弓形激波9更强。
60.爆轰燃烧属于化学反应流动的范畴，该物理问题仍可采用纳维-斯托克斯(navier-stokes，n-s)方程耦合上化学反应源项进行描述。爆轰波的传播速度快，对流在其中占据重要的作用，因此在大多数数值模拟中会忽略粘性的影响，重点关注爆轰燃烧的波动力学特征。起爆区发生扰动的斜爆轰的燃烧和组织，涉及到可能存在的激波与壁面边界层干扰、强剪切层等流动现象，则需要考虑粘性的影响。因此，本发明数值模型的控制方程采用考虑基元反应的二维多组分纳维-斯托克斯方程，具体可以表示为：
[0061][0062]
式(1)中，u为守恒变量，f、g为x，y方向的无粘通量，fv、gv为x，y方向的粘性通量，s为源项矢量。u、f、g、s、fv、gv用矩阵方式可以具体表示为：
[0063][0064][0065][0066]
式(2)中，ρ表示总密度，ρi为各个组分的密度，p表示压力，e为单位体积的总内能，ωi为化学反应中第i种组分的质量生成率。式(3)中τ表示剪切应力，各个方向的分应力在式(4)中给出，qx，qy分别表示热流在两个坐标方向的分量。式(4)中μ为粘性系数，对于层流来说，粘性系数仅随温度变化，由sutherland公式给出。上述的ρ、p、e、qx、qy、μ的具体计算公式如下：
[0067][0068][0069][0070][0071]
[0072]
式(6)中，r0为普适气体常数，对所有气体都是同样的值，即r0＝8.314j/(mol
·
k)，t为温度。式(7)中，h为静焓。式(8)中，k是热传导系数。h和k可以由下式计算得出：
[0073][0074][0075]
式(11)中，cp为定压比热，pr为普朗特数，本发明的计算中取pr＝0.72。
[0076]
图7-图9对比钝头体障碍物位置，发现斜爆轰起爆位置主要由钝头体障碍物位置决定；图9-图11对比钝头体障碍物形状，发现钝头体障碍物形状的改变对起爆位置影响较小；图11-图12对比钝头体障碍物尺寸，发现钝头体障碍物尺寸的改变对起爆位置影响较小。
[0077]
图13-图14对比横向射流大小，发现横向射流大小对斜爆轰起爆位置影响较小；图14-图18对比横向射流位置，发现斜爆轰起爆位置主要由横向射流位置决定。
[0078]
图19-图21对比横向射流大小，发现斜爆轰起爆位置受横向射流大小影响较小；图21-图23对比了钝头体障碍物和横向射流位置，发现斜爆轰起爆位置主要由钝头体障碍物和横向射流位置决定。
[0079]
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。

技术特征：
1.一种起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，在斜爆轰发动机燃烧室下壁面上添加外加干扰，使斜爆轰发动机燃烧室内斜爆轰波的波系结构产生变化，并使斜爆轰波产生的位置提前。2.根据权利要求1所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述外加干扰为钝头体障碍物和/或横向射流。3.根据权利要求2所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述钝头体障碍物的形状为半圆形、半椭圆形或流线型。4.根据权利要求2或3所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述钝头体障碍物设于斜爆轰发动机燃烧室下壁面任意处。5.根据权利要求2所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述横向射流的方向为与斜爆轰发动机燃烧室下壁面垂直。6.根据权利要求2所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述横向射流的马赫数ma≤1。7.根据权利要求2所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述横向射流设于斜爆轰发动机燃烧室下壁面任意处。8.根据权利要求1所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述斜爆轰发动机燃烧室内斜爆轰波的波系结构，包括斜爆轰发动机燃烧室下壁面诱导的斜激波和外加干扰产生的弓形激波，斜激波和弓形激波相互作用产生斜爆轰波。9.根据权利要求1所述的起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，其特征在于，所述斜爆轰波产生的位置提前2-20倍。

技术总结
本发明涉及一种起爆区扰动实现斜爆轰发动机加速起爆的方法，属于高超声速飞行器设计领域，特别是斜爆轰发动机燃烧室设计领域。通过在斜爆轰发动机燃烧室下壁面上添加外加干扰，使得来流气体在斜爆轰波起爆区受到外界扰动的影响产生弓形激波，起爆区受扰动产生的弓形激波与发动机燃烧室下壁面前端产生的斜激波相互作用产生斜爆轰波。本发明在发动机燃烧室下壁面添加外界扰动，改变斜爆轰波的波系结构，起到了使斜爆轰波加速起爆的作用，在理论上可以减短斜爆轰发动机燃烧室的壁面长度，在斜爆轰发动机的设计中可以减小燃烧室的尺寸，减轻斜爆轰发动机的重量，在高超声速飞行器总体上可以增加设计的空间，减轻整体的重量，增加飞行的速度。加飞行的速度。加飞行的速度。


技术研发人员：项高翔 张益晨 高翔 路宽
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/6/28