一种超声速爆震燃烧室及其起爆与自持控制方法技术

本发明专利技术公开了一种超声速爆震燃烧室及其起爆与自持方法，采用凹腔结构和扩张型面，同时在凹腔上游壁面安装一个热射流爆震起爆系统，可以完整实现超声速来流的爆震起爆与自持传播控制功能。热射流喷注到超声速来流中首先诱导形成一道弓形激波，其后会形成亚声速通道，热射流下游的凹腔内部形成的压力震荡通过亚声速通道作用于上游弓形激波，进而促使弓形激波强度增强，从而加速爆震起爆的实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声速来流条件下爆震起爆与稳定自持传播，尤其涉及超声速爆震发动机的设计与实现。
技术介绍
目前在世界范围内研发的超声速爆震燃烧室及起爆与自持方法还很少见，一方面因为爆震研究当前主要集中于静止气中，另一方面在超声速来流条件下开展爆震起爆与自持研究难度相当大。在静止气中采用热射流进行爆震起爆已有相关报道[1-8]，通过强射流在静止气中实现爆震直接起爆。然而超声速来流同静止气有明显区别，且相关研究相对很少，没有相关专利。此外，对于超声速来流条件下爆震的自持传播控制的研究则更少，也没有任何专利报道。Moen,I.O.,Bjerketvedt,D.,Jenssen,A.,andThibault,P.A.1985.TransitiontoDetonationinLargeFuel-AirCloud.CombustionandFlame,61,2.Ungut,A,Philip,J.,andShuff,J.1989.DeflagrationtoDetonationTransitionfromaVentingPipe.CombustionScienceandTechnology,63,pp.75-87.F.,Carnasciali,J.H.S.,Lee,R.,KnystautasandF.,Fineschi.1991.TurbulentJetInitiationofDetonation.CombustionandFlame,84,1-2.Dorofeev,S.B.,Bezmelnitsin,A.V.,Sidorov,V.P.,Yankin,J.G.,andMatsukov,I.D.1996.TurbulentJetInitiationofDetonationinHydrogen-AirMixtures.ShockWaves,6,1.Murase,E.,Ono,S.,Hanada,K.,Oppenheim,A.K.1996.Initiationofcombustioninleanmixturesbyflamejets.CombustionScienceandTechnology,113-114,pp.167–177.Lieberman,D.H.,Parkin,K.L.,andShepherd,J.E.2002.DetonationInitiationbyaHotTurbulentJetforUseinPulseDetonationEngines.AIAA2002-3909.John,L.Hoke,Royce,P.Bradley,Jason,R.GalliaandFrederick,R.Schauer.2006.TheImpactofDetonationInitiationTechniquesonThrustinaPulsedDetonationEngine.AIAA2006-1023.ShiJie,Liu,ZhiYong,Lin,WeiDong,Liu,Wei,Lin,FengChen,Zhuang.2012.ExperimentalRealizationofH2/AirContinuousRotatingDetonationinaCylindricalCombustor.CombustionScienceandTechnology,184,9.现有在静止气中采用热射流进行起爆的设计，对热射流的能量要求非常高，这样采用有效实现爆震快速起爆。通常情况下，在实际应用中获取高能量的热射流难度比较大，应用起来相对不是很方便。
技术实现思路
为了克服现有爆震起爆的技术缺陷，在本专利技术中，借助于凹腔与扩张型面的作用，采用相对较少能量的热射流就可以成功实现超声速来流条件下的爆震起爆，对热射流能量要求较低，使得爆震成功起爆更加容易。此外，在凹腔和扩张型面的共同作用下，爆震波面能够基本稳定在一定范围内，在超声速来流条件下实现相对驻定自持传播，从而能够稳定应用于爆震发动机中。本专利技术的方法设计中主要采用一个凹腔结构(下壁面)和一个扩张型面(上壁面)，同时在凹腔上游壁面安装一个热射流爆震起爆系统，这种结构可以完整实现超声速来流的爆震起爆与自持传播控制功能。热射流喷注到超声速来流中首先会诱导形成一道弓形激波，其后会形成亚声速通道。热射流下游的凹腔内部形成的压力震荡通过亚声速通道作用于上游弓形激波，进而促使弓形激波强度增强，从而加速爆震起爆的实现，而改变热射流同凹腔的距离则会控制爆震起爆的进度。单纯的凹腔设计会使得爆震过驱前传，而在上壁面设计一个扩张型面则会在超声速来流中形成膨胀波系，对过驱爆震产生衰减作用，抑制爆震波的前传。通过改变凹腔的尺寸以及扩张型面的角度，最终实现爆震波的相对稳定自持传播。爆震过驱是指定压力和温度条件下的特定混合物都有一个特定的CJ爆震速度，这是由混合物自身特定决定的。然而，当由于外在原因使得爆震的传播速度大于这个特定的CJ爆震速度，则称这个爆震为爆震过驱。热射流喷注入超声速流中后，流场中会诱导形成弓形激波。等直管道中，弓形激波的强度则由热射流参数，超声速来流参数，热射流孔径等共同决定。当在热射流下游设置凹腔结构时，凹腔内部燃烧产生的压力震荡会通过亚声速通道作用于上游热射流诱导的弓形激波，从而强化弓形激波强度，使得热射流起爆相对更加容易。调整扩张型面的角度θ(θ范围为0°～10°，扩张角度过大可能会导致爆震快速熄爆)也能够改变诱导的弓形激波在上壁面形成的反射激波的强度，从而也能一定程度控制热射流起爆。改变热射流和其下游凹腔结构之间的距离则能够控制热射流起爆的快慢。对于超声速来流中爆震波的传播，通过凹腔尺寸和扩张型面角度的调节，可以实现爆震相对稳定的自持传播。本专利技术的整体组成结构主要包括热射流起爆、凹腔设置和扩张壁面。在圆形管道中通过氧化剂和可燃气接口充填氧化剂和可燃气(比如氢气和氧气)，经过一定时间混合后采用火花塞点，预混气经点火燃烧形成高温高压产物，通过一个收缩通道高速喷出之后形成热射流。为了加快湍流热射流的形成，在热射流管中加入扰流丝能够促进管内的火焰加速过程，一定程度上能够增强热射流的强度。热射流喷入超声速预混来流中首先诱导形成弓形激波，随着弓形激波的逐渐增强，同上壁面发生碰撞形成马赫反射。马赫反射中马赫干实质为局部马赫爆震，从而首先实现流场中爆震起爆。改变热射流管中可燃气和氧化剂的当量比，压力，热射流出口的管径X2，就可以整体控制热射流强度；而改变热射流同入口处的距离X1，以及扩张壁面的角度θ，则可以改变扩张壁面马赫反射的强度，从而通过控制热射流强度和扩张壁面马赫反射强度能够起到综合控制爆震起爆。凹腔能够通过自身的凹腔震荡以及反馈机制实现燃烧的稳定控制，这种火焰稳定机制在超燃冲压发动机中得到了广泛的应用。凹腔根据长深比L/D的大小，可以将凹腔分为浅凹腔和深凹腔，而不同类别的凹腔有的不同的性质特点。浅凹腔条件下，改变凹腔的深度几乎对凹腔振荡没有影响；而对于深凹腔，在特定流场条件下能够作为一个凹腔共振器从而产生共振振荡，对于爆震起爆传播的影响相对强一些。本专利技术专利中采用浅凹腔和深凹腔均能加速实现爆震起爆以及传播控制。热射流喷注到超声速来流中后诱导形成弓形激波，而在其下游凹腔内部低速燃烧产生强烈的压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声速爆震燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括上壁面和下壁面，设置在燃烧室下壁面的凹腔，和设置在上壁面的扩张型面，以及设置在凹腔上游壁面的热射流爆震起爆装置；所述扩张型面与上水平面夹角为θ，θ的取值范围为0°～10°；还包括燃烧室入口和燃烧室出口，燃烧室入口和燃烧室出口位于爆震室两端，扩张壁面作为上壁面，与等直下壁面一起构成扩张管道，扩张管道中通入超声速流；扩张管道与燃烧室入口及燃烧室出口构成燃烧室；所述燃烧室的的入口设置在最上游，热射流起爆装置的热射流入口设置于燃烧室入口下游。

【技术特征摘要】
1.一种超声速爆震燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括上壁面和下壁面，设置在燃烧室下壁面的凹腔，和设置在上壁面的扩张型面，以及设置在凹腔上游壁面的热射流爆震起爆装置；所述扩张型面与上水平面夹角为θ，θ的取值范围为0°～10°；还包括燃烧室入口和燃烧室出口，燃烧室入口和燃烧室出口位于爆震室两端，扩张壁面作为上壁面，与等直下壁面一起构成扩张管道，扩张管道中通入超声速流；扩张管道与燃烧室入口及燃烧室出口构成燃烧室；所述燃烧室的的入口设置在最上游，热射流起爆装置的热射流入口设置于燃烧室入口下游。2.根据权利要求1所述的超声速爆震燃烧室，其特征在于，所述热射流起爆装置可以为热射流管，用于产生高温高压高速热射流，包括氧化剂接口，可燃气接口，火花塞，以及热射流出口。3.根据权利要求1所述的超声速爆震燃烧室，其特征在于，所述凹腔可以为深凹腔，也可以为浅凹腔；所述凹...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晓东，梁剑寒，林志勇，刘世杰，陈伟强，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43