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技术

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。

【技术实现步骤摘要】
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
本申请涉及超燃冲压发动机燃烧室设计与性能评估
，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。
技术介绍
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–AirMixingExperimentsinaDirectlyFueledSupersonicCavityFlameholder》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《NumericalPredictionsofMixinginaSupersonicCavityFlameholder》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。
技术实现思路
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。当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进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值。根据未进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值和进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值，得到超声速来流在壁面气态燃料喷注前后的总焓差值。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的滞止压力值和热流值的方式包括：使用总压耙测量超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处气流的滞止压力值。使用热流计测量超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处气流的热流值。其中一个实施例中，根据滞止压力值和热流值得到超声速来流在所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的总焓值的方式包括：其中，为所述超声速来流在所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的总焓值，为热流值，为滞止压力值，为热流计头部前缘的半径，为Sutton–Graves常数。其中一个实施例中，还包括：获取超声速来流沿超燃冲压发动机燃烧室中心轴线的总焓差值曲线，根据总焓差值曲线评估超声速来流在超燃冲压发动机燃烧室中与壁面喷注气态燃料的混合效率。其中一个实施例中，获取超声速来流沿超燃冲压发动机燃烧室中心轴线的总焓差值曲线的方式包括：根据超燃冲压发动机燃烧室的长度和预设的测量规则，在超燃冲压发动机燃烧室中心轴线上得到对应的多个测量位置。在多个测量位置获取超声速来流的总焓差值，得到表示超声速来流的总焓差值和混合距离间关系的总焓差值曲线。其中一个实施例中，根据总焓差值曲线评估超声速来流在超燃冲压发动机燃烧室中与壁面喷注气态燃料的混合效率的方式包括：根据总焓差值曲线评估超声速来流在所述超燃冲压发动机燃烧室中与壁面喷注气态燃料的混合效率随混合距离的变化关系。一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的评估装置，包括：混合效率评估模块，用于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。一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：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。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：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。与现有技术相比，上述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、装置、计算机设备和存储介质，根据超声速来流在超燃冲压发动机的燃烧室的出口处进行和未进行壁面气态燃料喷注时的总焓的变化值，评估超声速来流在超燃冲压发动机燃烧室中与壁面喷注气态燃料的混合效率。本申请的技术方案是基于超燃冲压发动机的燃料混合方式设计的。由于燃烧室入口气流为超声速，使得通过壁面喷注的燃料较难进入燃烧室中心主流，即燃料射流穿透度低制约了燃料与超声速来流的充分混合。由此可知，当燃烧室壁面喷注的燃料与超声速气流混合效率较高时，燃烧室中心主流与壁面喷注的常温燃料之间的热交换越强，燃烧室中心轴线处气流的总焓降低。因此燃料的混合效率与燃烧室中心轴线处气流的总焓存在负相关关系。通过测量燃料喷注前后燃烧室出口中心轴线处气流的总焓差即可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的测量方法，其特征在于，所述方法包括：/n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；/n当进行壁面气态燃料喷注时，在所述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进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值；/n根据未进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值和进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值，得到超声速来流在壁面气态燃料喷注前后的总焓差值；/n根据所述总焓差值评估所述超声速来流在所述超燃冲压发动机的燃烧室中与气态燃料的混合效率；/n其中，在所述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的方式包括：/n使用总压耙测量所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处气流的滞止压力值；/n使用热流计测量所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处气流的热流值；/n根据所述滞止压力值和所述热流值得到所述超声速来流在所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的总焓值的方式包括：/n...

【技术特征摘要】
1.一种壁面喷注气态燃料与超声速来流混合效率的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
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；
当进行壁面气态燃料喷注时，在所述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进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值；
根据未进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值和进行壁面气态燃料喷注时超声速来流的总焓值，得到超声速来流在壁面气态燃料喷注前后的总焓差值；
根据所述总焓差值评估所述超声速来流在所述超燃冲压发动机的燃烧室中与气态燃料的混合效率；
其中，在所述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的方式包括：
使用总压耙测量所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处气流的滞止压力值；
使用热流计测量所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的中心轴线处气流的热流值；
根据所述滞止压力值和所述热流值得到所述超声速来流在所述超燃冲压发动机的燃烧室出口的总焓值的方式包括：

【专利技术属性】
技术研发人员：李西鹏，潘余，王宁，赵玉新，刘卫东，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43