[发明专利]一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的测量方法

说明书

本申请涉及一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的测量方法，所述方法包括：在超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处获取超声速来流在壁面气态燃料喷注前后的总焓差值，根据总焓差值评估超声速来流在超燃冲压发动机燃烧室中与气态燃料的混合效率。基于这一方法，可以通过简单的测量和计算快速定性评估燃烧室中燃料和气流的混合效率，以及评估在燃烧室中各位置燃料和气流的混合效率，具有计算方式简单、响应频率快、方便快捷等优点，能够快速评估燃料喷注方案的优劣，并根据评估结果对燃料喷注方案进行优化与迭代。

技术领域

本申请涉及超燃冲压发动机燃烧室设计与性能评估技术领域，特别是涉及一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的测量方法。

背景技术

超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的核心动力装置，其技术的先进性与成熟度决定了高超声速飞行器的性能。燃烧室作为发动机的关键部件，燃烧性能的优劣决定了发动机的推力性能与比冲，因此是发展吸气式高超声速飞行器的重中之重。

超燃冲压发动机燃烧室入口气流为超声速，气流在燃烧室的驻留时间在10^-4~10^-3s量级（气流速度在10³m/s量级，燃烧室长度在1m量级）。在超燃冲压发动机燃烧室内，燃料通常采用壁面喷注的方式与超声速高焓来流混合，进而发生燃烧化学反应，燃烧室壁面喷注的燃料在超声速气流中的化学反应时间与气流驻留时间在同一量级。因此超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧化学反应由燃料与超声速高焓来流的混合状态决定。如何衡量壁面喷注气态燃料与超声速来流的混合效率对于设计发动机燃料喷注方案，提高燃烧室性能意义重大。

目前常用实验与数值模拟两种方法来评估超声速高焓来流中燃料混合效率。论文《Fuel–Air Mixing Experiments in a Directly Fueled Supersonic CavityFlameholder》中提出将混入丙酮蒸气的氮气作为发动机燃料的替代组分喷入燃烧室，利用丙酮在紫外激光的照射下发出荧光的特性对替代燃料在燃烧室内的分布进行成像，进而定性地观察燃料与来流的混合状态。在这一方式中，混入丙酮蒸气的替代燃料与发动机的真实燃料在分子摩尔质量与扩散速率方面存在差异，因此不能真实反映燃料在燃烧室内的分布；此外，实验需要丙酮发生器、紫外激光器、光路传输装置以及增强型相机等设备，系统复杂；同时受激光器激发频率的限制，图像采样频率较低，一般在100Hz以下。

论文《Numerical Predictions of Mixing in a Supersonic CavityFlameholder》采用数值模拟的方法计算燃料在超声速气流中的分布，湍流模型采用混合雷诺平均/大涡模拟方法，在三维的计算区域内对流场的组分分布进行非稳态求解，进而将瞬态结果取平均得到燃料在燃烧室内的平均分布，再通过后处理手段得到燃料的混合效率。在这一方式中必须考虑湍流模型的准确性，而现有的各种湍流模型均无法准确模拟超燃冲压发动机燃烧室内的湍流输运过程，导致模拟结果与真实情况存在差异。此外，大尺度的三维数值模拟需要庞大的计算资源，且耗时较长，不利于燃料喷注方案的快速迭代与优化。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供简单、快捷的一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的测量方法。

一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的测量方法，包括：

在超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处获取超声速来流在壁面气态燃料喷注前后的总焓差值，根据总焓差值评估超声速来流在超燃冲压发动机燃烧室中与气态燃料的混合效率。

其中一个实施例中，在超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处获取超声速来流在壁面气态燃料喷注前后的总焓差值的步骤包括：

当未进行壁面气态燃料喷注时，在超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处获取超声速来流的滞止压力值和热流值，根据获取到的滞止压力值和热流值得到未进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值。