[发明专利]一种冲压发动机旋转爆震起爆并快速形成周期流场的方法

说明书

本发明公开了一种冲压发动机旋转爆震起爆并快速形成周期流场的方法，涉及冲压发动机技术领域，其技术方案要点是：主要步骤为：首先，在数值模拟中先通过定常模拟快速得到收敛的缓燃流场，为燃烧室的上游提供高反压条件，然后在点火延迟区中起爆旋转爆震波并使其快速达到周期性稳定传播状态；然后根据上述步骤，在试验和真实飞行中，先在发动机中点火并组织相对较易实现的缓燃燃烧，为燃烧室上游提供高反压条件，通过切向热射流的方法起爆旋转爆震波，并使其沿燃烧室的圆周方向进行稳定传播。本方法能够更快获得旋转爆震周期性稳定传播的流场，显著减少计算机时，且较直接从冷流流场中起爆更易起爆旋转爆震波并维持其稳定传播。

技术领域

本发明涉及冲压发动机技术领域，更具体地说，它涉及一种冲压发动机旋转爆震起爆并快速形成周期流场的方法。

背景技术

旋转爆震是一种在环形或圆截面燃烧室中沿燃烧室圆周方向传播，不断消耗新鲜可燃气并维持自身传播的一种燃烧模式。在冲压发动机中采用旋转爆震燃烧相比于常规的缓燃燃烧具有潜在的性能优势，也是目前国内外的研究热点。然而，由于冲压发动机中气流速度很快，这给旋转爆震的起爆和稳定传播带来较大挑战。这主要表现在以下方面：一是高速气流中燃料与空气混合较慢，不利于旋转爆震的起爆和稳定传播；二是即使燃料与空气混合充分，如果气流速度过快，旋转爆震在流向的传播分速度有限，难以抵御气流速度从而被吹熄。以上两方面在燃烧室尚未起爆旋转爆震的冷流状态下表现得尤为严重。

在旋转爆震冲压发动机研究方面，目前普遍采用数值模拟和试验研究相结合的方法。无论在数值模拟还是试验中，目前已有的旋转爆震起爆方案是通过在喷入燃料的冷流流场中引入局部高温、高压、高速区(例如借助切向热射流)实现起爆。但这样做往往需要首先在燃烧室下游人为施加高反压，使得燃烧室上游的隔离段中出现激波串，这些激波串使来流减速增压，从而促进了燃料混合以及旋转爆震的起爆和稳定传播。这一做法存在的问题是：一方面在非定常数值模拟中旋转爆震从冷流流场(即不包含化学反应计算的流场)起爆到形成周期性稳定传播流场所需的物理时间较长，从而花费的计算机时也较长；另一方面在试验中人为提供高反压环境需要额外的设备及措施，且在真实的冲压发动机飞行环境中更加难以预先提供这样的高反压环境。

因此，针对以上问题，本发明提出一种用于冲压发动机的旋转爆震起爆并快速形成周期性稳定传播流场的方法，以解决上述问题，并将其应用于数值模拟研究中或试验及实际飞行中。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲压发动机旋转爆震起爆并快速形成周期流场的方法，本方法能够解决现有技术中在非定常数值模拟中旋转爆震从冷流流场起爆到形成周期性稳定传播流场所需的物理时间较长，花费的计算机时也较长，以及在真实的冲压发动机飞行环境中难以预先提供高反压环境的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种冲压发动机旋转爆震起爆并快速形成周期流场的方法，首先在冲压发动机中建立收敛的缓燃燃烧流场，然后在该流场的点火延迟区起爆旋转爆震波，具体包括以下步骤：

S1、在数值模拟中，通过定常模拟在冷流流场中给定高温点火区，实现流场中的缓燃燃烧，并快速得到收敛流场，在得到收敛流场后，通过燃烧反压使隔离段中出现激波串，用于对来流进行减速增压，使来流进入燃烧室后，与燃烧室入口喷出的燃料进行混合，其中，由燃料喷注位置至燃烧室下游燃烧起始位置之间的一段未发生燃烧的区域为点火延迟区；

S2、在步骤S1中所述的点火延迟区中给定起爆点，并将定常模拟切换到非定常模拟继续计算，实现旋转爆震的起爆，且旋转爆震沿燃烧室的圆周方向传播，不断消耗燃烧室内的可燃混合气体；其中，在旋转爆震经过圆周方向的其中一位置并远离后，补充进新鲜的可燃混合气于所述位置，通过往复形成周期性稳定传播的旋转爆震流场；