發(fā)動(dòng)機(jī)、火焰穩(wěn)定器及其凹腔的設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)、火焰穩(wěn)定器及其凹腔的設(shè)計(jì)方法，包括：設(shè)定凹腔的長(zhǎng)度值L；確定燃料的有效當(dāng)量比φ0；當(dāng)有效當(dāng)量比φ0大于1時(shí)，確定富燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τf,r，否則，確定貧燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τf,l；根據(jù)長(zhǎng)度值L、空氣來(lái)流速度U和富燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τf,r或貧燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τf,l確定凹腔的燃燒流場(chǎng)的Da數(shù)，其中，或根據(jù)火焰吹熄準(zhǔn)則確定狀態(tài)點(diǎn)(Da，φ0)是否位于火焰穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)點(diǎn)(Da，φ0)位于火焰穩(wěn)定區(qū)時(shí)，根據(jù)凹腔的長(zhǎng)深比，確定凹腔的深度D，否則，重新設(shè)定凹腔的長(zhǎng)度值L。本發(fā)法簡(jiǎn)單易行，設(shè)計(jì)周期較短，通用性較好，且有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中的基于均勻攪拌反應(yīng)器模型來(lái)設(shè)計(jì)凹腔的方法實(shí)用性較窄、物理基礎(chǔ)較差的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】發(fā)動(dòng)機(jī)、火焰穩(wěn)定器及其凹腔的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)、火焰穩(wěn)定器及其凹腔的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高超聲速飛行器是實(shí)現(xiàn)高速突防、2小時(shí)全球到達(dá)、廉價(jià)進(jìn)入空間的戰(zhàn)略性高技術(shù)，其發(fā)展將改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)，是21世紀(jì)航空航天技術(shù)新的制高點(diǎn)，世界各大國(guó)正競(jìng)相發(fā)展相關(guān)技術(shù)并對(duì)我國(guó)國(guó)家安全構(gòu)成新的威脅。
[0003]超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超聲速吸氣式飛行的最佳備選動(dòng)力裝置，已成為各航空航天大國(guó)研究的熱點(diǎn)。作為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，超聲速燃燒室的性能直接決定著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的成敗。由于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的來(lái)流速度高、駐留時(shí)間短，于是，超聲速燃燒室的成功設(shè)計(jì)必須借助于可靠的火焰穩(wěn)定技術(shù)。采用壁面凹腔的方法既可以有效地穩(wěn)定火焰，又不會(huì)導(dǎo)致過(guò)分的總壓損失，因而得到廣泛應(yīng)用。采用凹腔穩(wěn)定火焰的基本思想是:通過(guò)凹腔形成一個(gè)低速回流區(qū)，穩(wěn)定于回流區(qū)附近的亞聲速燃燒可作為一個(gè)持續(xù)點(diǎn)火源，不斷地引燃超聲速主流。
[0004]由于受來(lái)流條件、凹腔構(gòu)型及燃料噴注等因素的影響，凹腔火焰存在一定的穩(wěn)定邊界，一旦超過(guò)這些邊界，凹腔中的火焰將被吹熄，于是，為了使超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的火焰保持穩(wěn)定，必須對(duì)凹腔的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)。
[0005]很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)焰凹腔設(shè)計(jì)只能依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn)，其基本流程是:基于一些感性和經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)出一個(gè)初步的凹腔構(gòu)型，再輔以大量的試驗(yàn)對(duì)凹腔構(gòu)型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)方法缺乏理論指導(dǎo)，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)流或燃料噴注條件發(fā)生變化，又需要重復(fù)繁瑣的設(shè)計(jì)過(guò)程，而且所設(shè)計(jì)的凹腔穩(wěn)定裕度難以把握。
[0006]Davis 等(Davis D L, Bowersox RDff.Stirred reactor analysis of cavity flameholders for scramjets [R].AIAA Paper97_3274, 1997)基于均勻攬祥反應(yīng)器(即假定凹腔內(nèi)的組分和溫度分布是完全均勻的)模型發(fā)展了一種凹腔的設(shè)計(jì)方法，其思路是基于燃燒室來(lái)流條件和均勻攪拌反應(yīng)器模型計(jì)算出凹腔需要為氣流提供的最小駐留時(shí)間t駐留，再依據(jù)凹腔駐留時(shí)間與凹腔深度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系D = U.ty40確定所需要的凹腔深度D，其中，U為空氣來(lái)流速度。
[0007]然而，該方法有兩個(gè)明顯的局限:一是均勻攪拌反應(yīng)器模型假設(shè)在超聲速燃燒中難以成立，這一點(diǎn)已被大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)，故采用這種方法測(cè)的結(jié)果不夠準(zhǔn)確；二是對(duì)流動(dòng)過(guò)程過(guò)度簡(jiǎn)化，不能考慮真實(shí)的非預(yù)混燃燒過(guò)程，故該凹腔的設(shè)計(jì)方法物理基礎(chǔ)較差，適用范圍較窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)、火焰穩(wěn)定器及其凹腔的設(shè)計(jì)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的火焰穩(wěn)定器的凹腔的設(shè)計(jì)方法適用范圍較窄的問(wèn)題。[0009]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種火焰穩(wěn)定器的凹腔的設(shè)計(jì)方法，包括:設(shè)定凹腔的長(zhǎng)度值L ;確定燃料的有效當(dāng)量比(K;當(dāng)有效當(dāng)量比(K大于I時(shí)，確定富燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度TfY否則，確定貧燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度Tfl ;根據(jù)長(zhǎng)度值L、空氣來(lái)流速度U和富燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τ &或貧燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度Tf l確定凹腔
的燃燒流場(chǎng)的Da數(shù)，其中，
【權(quán)利要求】
1.一種火焰穩(wěn)定器的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括: 設(shè)定所述凹腔的長(zhǎng)度值L ； 確定燃料的有效當(dāng)量比； 當(dāng)所述有效當(dāng)量比Φο大于I時(shí)，確定富燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度Tf-，否則，確定貧燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τ?1; 根據(jù)所述長(zhǎng)度值L、空氣來(lái)流速度U和所述富燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τ f；r或所述貧燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度τ f 1確定所述凹腔的燃燒流場(chǎng)的Da數(shù)，其中
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的來(lái)流條件和所述燃料的噴注方案設(shè)定所述凹腔的長(zhǎng)度值L。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，確定所述凹腔的深度D后，所述凹腔的設(shè)計(jì)方法還包括: 判斷確定的所述凹腔的長(zhǎng)度L和深度D是否滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，若不滿(mǎn)足，則調(diào)整所述噴注方案后重新設(shè)定所述凹腔的長(zhǎng)度值L。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在確定所述燃料的有效當(dāng)量比Φ。的步驟中，結(jié)合橫向射流混合模型來(lái)確定所述有效當(dāng)量比Φ。，即: 根據(jù)公式
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，確定所述富燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度和所述貧燃時(shí)的火焰時(shí)間尺度Tf l的方法為， 利用公式:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在確定所述富燃火焰時(shí)間尺度τ f r和所述貧燃火焰時(shí)間尺度τ f l的步驟中，所述YP，KZ的求法為， 在富燃極限時(shí):
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在確定所述富燃火焰時(shí)間尺度的步驟中，利用公式: a = (HMa2(Y-1)Ar1計(jì)算所述來(lái)流相關(guān)系數(shù)α ； 其中，Ma為馬赫數(shù)； Y為來(lái)流空氣的比熱比。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在確定所述貧燃火焰時(shí)間尺度Tf l的步驟中，所述速度衰減因子η的求法為:
9.一種火焰穩(wěn)定器，其特征在于，所述火焰穩(wěn)定器中的凹腔由權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法制成。
10.一種發(fā)動(dòng)機(jī)，包括火焰穩(wěn)定器，其特征在于，所述火焰穩(wěn)定器中的凹腔由權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的凹腔的設(shè)計(jì)方法制成。
【文檔編號(hào)】F23R3/18GK104019464SQ201410230831
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】孫明波, 楊揖心, 汪洪波, 梁劍寒 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)