【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于爆轰发动机领域，具体涉及一种基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构设计方法。
技术介绍
1、为了满足未来发动机将面临超音速巡航和超机动性的设计要求，发动机正朝着推重比大、熵增小、释热快、热效率高的新型动力系统发展，爆旋转爆轰发动机正是一种显著提高发动机推进性能的动力系统。
2、与传统火箭发动机与涡喷发动机不同，旋转爆轰发动机采用的是一种由前导激波与化学反应耦合并存在强烈间断现象的燃烧模式。在这种模式下形成的旋转爆轰波传播速度可高达km/s数量级，气态或液态燃料在该波结构处迅速被压缩至高温高压状态，随即实现充分燃烧，该模式可使发动机在低增压比下实现有效功最大化。为了实现上述目标，更加高效和稳定的燃料供给结构亟需发展。
3、一般地，旋转爆轰发动机燃烧室内存在预混燃烧和非预混燃烧两种模式，但两种模式都需要保证燃料和氧化剂的充分掺混以保障旋转爆轰波的高效燃烧。其中，非预混燃烧模式下燃料和氧化剂分别独立储存，具有更好的稳定性和安全性，是主要的工程应用中主要采取的燃烧方式。基于现有的研究可知，不同燃料供给装置直接影响着燃料掺混特性，并进一步影响爆轰燃烧性能。目前，气态旋转爆轰燃烧室的燃料喷注结构通常采用多个小孔喷注，其结构简单，主要是有一个空心圆柱杆构成。当前气态燃料喷注孔的直径为0.3–1.5mm，长度处于1–3mm范围，燃料通过一定的压力驱动使得气态燃料以射流形式喷注入燃烧室，但该条件下射流掺混效果较差，且喷注器出口射流的扩张角度一般介于2°和12°之间。现有的喷注结构具有雾化效果不佳和不利于燃料空间
4、因此，确有必要发展一种结构简单且掺混效果更好的燃气喷注装置设计方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对目前应用于气态旋转爆轰发动机圆柱形燃气喷注结构使得燃料射流扩张角窄、燃料周向掺混不均匀的问题，提出了基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，将燃料喷注结构分为平直段和扩张段，分别依据动量比和流量系数准则进行设计，在保证不改变发动机其他部件的前提下，通过在燃料喷注结构出口增加扩张角的锥形开口，利用结合扩张接口扩大燃料射流角度并促进燃料和空气的掺混效果，进一步提高气态旋转爆轰发动机的起爆性能。
2、实现本专利技术的技术解决方案为：
3、基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于，设计流程如下：
4、步骤1，根据推力指标和结构约束确定旋转爆轰发动机机匣尺寸和形状。
5、所述旋转爆轰发动机包括旋空气进口，布置于进口处的拉瓦尔喷管，分布在环形拉瓦尔喷管内外环的燃气进口，连接燃气进口和拉瓦尔喷管的燃气喷注结构，位于拉瓦尔喷管出口的燃烧室，位于燃烧室尾端的燃烧室出口，构建整个发动机的机匣和发动机中心内柱。
6、步骤2，基于发动机设计点气动参数和当量比范围，计算喷注器参数。
7、步骤3，通过喷注器流量要求，确定燃料喷注器的喷注角度、孔径、孔数和长径比。
8、步骤4，设计喷注器扩张段结构：
9、所述喷注器结构参数包括出口扩张式喷注结构，位于扩张式喷注器进口处的燃气喷注结构平直段，位于扩张式喷注结构出口处的燃气喷注结构扩张段。
10、步骤5，明确扩张式喷注结构的扩张段参数计算：
11、所述张式喷注结构的扩张段参数包括喷孔孔径d，表征燃气喷注结构扩张段出口开度的扩张角α，表征燃气喷注结构扩张长度的l1，以及表征燃气喷注结构平直段长度的l2。
12、步骤6，计算喷注器扩张段的扩张角和扩张段长度结构参数：
13、所述喷注器扩张段的扩张角α基于空气和燃气射流动量比确定，气喷注结构扩张段长度l1、燃气喷注结构平直段长度l2和喷孔孔径d通过燃料流量系数确定。
14、设计扩张角α过程中，根据射流穿透深度和拉瓦尔喷管扩张段结构参数确定，具体设置为燃气射流穿透深度为拉瓦尔喷管扩张段宽度的一半，其中，某一燃气喷注结构下燃气穿透深度与动量比的关系式为：
15、
16、式中：q为动量比；x为粒子沿流向到喷嘴喷口的距离；y为粒子垂直于流向的穿透深度；d为喷孔孔径。
17、动量比的计算公示为：
18、
19、式中：下标1和2分别表示燃气和空气；ρ为来流空气密度，单位kg/m3；u为气流流向速度，单位m/s。
20、空气流向速度u2来流空气速度，燃气u1的计算公式如下：
21、u1＝v1cos(α/2)
22、式中：v1为燃气射流的绝对速度，α为燃气喷注结构的扩张角。
23、设计扩张段长度l1的过程中，保证流量系数不小于0.85设计，流量系数计算公式为：
24、
25、a为流量系数；qv为体积流量，单位m3/s；d为节流孔内侧直径，单位m；l1为扩张段长度；ε为无量纲流阻系数；δp为燃油喷注压力差，单位mpa。
26、本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
27、(1)本专利技术所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构设计方法是一种针对适用于气态燃料的旋转爆轰发动机新型喷注结构设计思路，再不扰动其他部件稳定性的前提下快速完成气态喷注结构的设计。
28、(2)本专利技术所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构，在不改变旋转爆轰发动机结构的前提下，通过增加燃气喷注结构出口处扩张角度有利于增强燃气与来流空气的掺混效果。
29、(3)本专利技术所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构设计方法，基于流量系数不小于0.85的准则设计燃气喷注结构扩张段长度，减小了燃料喷注过程的流动损失，促进了喷注系统的高效化和轻量化。
30、(4)本专利技术所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构，是一套独立运行的喷注系统，不干扰其他系统的运行，可以稳定促进燃料掺混特性，提高旋转爆轰波起爆性能。
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1.基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：所述空气进口(1)为连接高压空气和拉瓦尔喷管(2)的部件；拉瓦尔喷管(2)为设计为二维环形通道，包括收缩段、喉道和扩张段，布置于空气进口(1)和燃烧室(5)之间，使高压空气形成超声速气流；燃气喷注结构(4)分别布置于拉瓦尔喷管(2)内外环扩张段处，促进燃料和空气的掺混效果；燃烧室(5)为平直或扩张角小于7°的环形通道，设置于拉瓦尔喷管(2)下游的扩张段出口处；燃烧室出口(6)位于燃烧室(5)的尾端，燃烧后的气体由此喷出进入大气。
3.如权利要求1所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：燃烧室进口处的来流空气压力大于3.0MPa。
4.如权利要求1所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：拉瓦尔喷管的收缩段采用双三次曲线对收缩段进行设计，具体如下：
5.如权利要求1所述的基基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在
6.如权利要求1所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：燃料喷注结构均匀分布在拉瓦尔喷管扩张段，且外环与内环喷注结构一一对应，喷注射流与空气夹角设置为45°至90°，喷注孔数量范围处于40个至120个，孔径参数范围为0.3mm–2.0mm，相邻两个喷注结构的夹角处于2°～5°之间，长径比为2–30。
7.如权利要求6所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：燃料喷注结构(4)为多个空心圆柱或矩形柱，且通道自前向后分为平直段(4.1)和扩张段(4.2)两部分，所述扩张段的出口处设置扩张角，使喷注接口的出口呈现出一定张角的锥形结构。
8.如权利要求7所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：燃料喷注结构的扩张段的扩张角设置于60°至120°之间，扩张段长度设置于1mm至3mm之间，使得高压燃料经过该扩张段的射流角度大于15°，增强燃料和空气的掺混，进一步促进旋转爆轰燃烧。
...【技术特征摘要】
1.基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于，步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：所述空气进口(1)为连接高压空气和拉瓦尔喷管(2)的部件；拉瓦尔喷管(2)为设计为二维环形通道，包括收缩段、喉道和扩张段，布置于空气进口(1)和燃烧室(5)之间，使高压空气形成超声速气流；燃气喷注结构(4)分别布置于拉瓦尔喷管(2)内外环扩张段处，促进燃料和空气的掺混效果；燃烧室(5)为平直或扩张角小于7°的环形通道，设置于拉瓦尔喷管(2)下游的扩张段出口处；燃烧室出口(6)位于燃烧室(5)的尾端，燃烧后的气体由此喷出进入大气。
3.如权利要求1所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：燃烧室进口处的来流空气压力大于3.0mpa。
4.如权利要求1所述的基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，其特征在于：拉瓦尔喷管的收缩段采用双三次曲线对收缩段进行设计，具体如下：
5.如权利要求1所述的基基于气态旋转爆轰发动机扩张式喷注结构的设计方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄亚坤，吕亚锦，苏航，王园丁，郑权，翁春生，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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