本发明专利技术公开了一种用于爆震燃烧研究的超声速地面实验风洞。该实验风洞，包括超声速预混加热器、实验段及真空舱，超声速预混加热器包括喷注器6、预热燃烧室1、阵列喷管模块、混合段3。预热燃烧室采用三种组元进行燃烧，通过燃烧氢气和空气再补氧气或空气，同时设计成对撞式喷注方式。这种技术的优点有：可有效降低燃烧局部高温，降轻热防护难度；能保证混合气温度、组分等流场参数的均匀性；可任意调节混合气的含氧量。在实验段后连接到真空舱，可降低实验段反压，拓宽实验风洞中超声速气流马赫数的设计范围。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及应用于航空、航天的吸气式超声速爆震发动机研究的地面试验系统， 可生成模拟实际高空条件下最高总温2000K、总压2MPa以上且当量比大范围变化的超声速 预混气流。
技术介绍
爆震燃烧具有能量释放速率快、热力循环效率高等优点，在推进领域中一直都备 受关注，目前采用爆震燃烧的超声速脉冲爆震发动机、斜爆震发动机等，已迅速成为高超声 速飞行器推进系统的研究热点。连续式高焓预混超声速气流加热器是超声速脉冲爆震发动 机、斜爆震发动机等地面模拟试验系统的关键设备，它连续产生模拟超声速爆震发动机入 口条件的超声速高焓预混气。预混超声速气流加热器与超声速爆震试验段和真空舱共同组 成超声速爆震发动机地面实验风洞。超声速预混实验风洞技术是吸气式超声速爆震发动机 地面试验的核心技术，也是研究采用爆震燃烧形式的超声速冲压发动机技术的必备。在超声速预混气流中进行爆震起爆和发展机理研究要求实验风洞预热燃烧室满 足总压高于IMPa，总温范围宽(1000 ^OOK)、空气流量大于lKg、预混气当量比调节范 围大、风洞出口流场品质高，可靠点火、稳定燃烧，对于燃烧室内表面局部过热有可靠的热 防护。目前国内外进行超声速爆震实验通常采用实验件高速运动、斜激波管设备等几 禾中方式° 目前公开报道的有论文〈〈Studies in connection with stabilized gaseous detonations waves》中介绍的冲压加速弹。该实验需通过发射器把加速弹或实验件加 速到特定的速度并进入预混实验气体中。一个固有的缺陷是由于实验件一般质量较轻， 运动中受到的阻力很大，特别当实验件前端产生爆震燃烧时将导致运动速度迅速下降。 论文《Onset of oblique detonation waves !comparison between experimental and numerical results for hydrogen-air mixtures》禾口《Three-dimensional structure of stabilization of oblique detonation wave in hypersonic flow》中介绍的斜激波管设 备，如图1，该设备先产生可爆驱动气体A与预混可燃实验气体B，初始压力相同并用一层约 10 μ m的薄膜隔开，混合物A的CJ爆震速度要比混合物B的大。实验时先在驱动混合物A 中产生速度为D。」的自持CJ爆震波，由于爆震波后压力上升，导致薄膜向混合物B中偏转形 成气动斜劈，并在实验气体B中产生以Dcu.速度传播的斜激波或斜爆震波。可通过调节驱动 气体A的成分来产生不同的气动斜劈角度与传播速度。这种实验设备的一个固有缺点是采 用了气动斜劈，一旦在混合物B中产生爆震，由于波后压力上升将导致薄膜再次发生偏转， 出现斜爆震状态难以控制等问题。目前主要用来研究来流马赫数与混合物的活性对斜激波 向斜爆震转变的影响。上述两种实验设备的共同问题是产生的斜爆震相对实验观测是高 速运动的，所以有效实验时间很短，难以进行起爆和发展动态过程研究；由于静止预混气体 是预先均勻混合的，为防止出现自燃爆炸等安全问题，预混气体的静温通常为常温。另一类进行预混超声速气流爆震研究的实验系统为激波膨胀管实验设备。论文((Expansion tube experiments for the investigation of ram-accelerator-related combustion and gasdynamic problems》， 论 文《Shock-induced combustion in high-speed wedge flows》禾口论文《Expansion tube investigation of ram accelerator projectile flow filelds))公布的超声速预混气流爆震研究实验系统实均由高压驱动段、 预混实验气体驱动段以及低压膨胀加速段组成，如错误！未找到引用源。所示。当驱动气 体压力达到设计值时，通过一定方式使主膜破裂，将在预混实验气体中产生很强的激波，使 得波后预混气体的温度与压力较高，流动马赫数可达2左右。当二级膜破后，由于加速气体 压力很低，预混实验气体进一步膨胀加速直到达到设计的工况。此实验方案的最大优点是 可保持实验件静止，缺陷在于采用激波管技术，实验有效时间非常短，一般只有100 μ s到 200 μ s ；虽然脉冲设备理论上可达到极高的总焓，但为防止在二级驱动段发生自燃，激波后 预混气体静温一般设计得较低，所以总焓受到一定的限制；由于激波管设备需要经过很长 管道的加速，边界层变得很厚，导致预混气流流场品质降低，并出现边界层高温区的自燃问 题。以上采用实验件高速运动、脉冲式激波风洞等实验方案，有效实验时间很短，通常 在微秒量级；产生的预混气流初始静温较低，一般为300Κ以下；工况参数调节范围有限。这 类实验方案都不便于进行高静温预混超声速气流中爆震起爆和发展等非定常现象的研究。 难以满足超声速爆震发动机研制所需的，连续工作和高静温来流等方面要求，无法进行爆 震起爆和发展过程的动态研究。目前公开报道的连续式超声速预混实验风洞只在俄罗斯新西伯利亚理论与 应用力学研究所研制成功，该实验风洞由气体供应系统、蓄热器、混合室、超声速喷管 组成论文〈〈Structure and propagation of detonations in gaseous mixtures in supersonic flow》禾口俄罗斯专利 No. 2157909 :《Supersonic pulsed detonation ramjet engine (SPDRE) and the way of operation of SPDRE》的Φ0. lm, ^ 2. 0m ^ ^! 焓高压空气膨胀产生超声速气流的连续式实验风洞，该实验风洞能保证每个工作周期内超 声速来流的Ma = 3-7，静压P彡200atm，静温T彡700K，持续工作时间为Is。但实验周期 长，费用高，总温低。在预热空气中加入燃料时，为了得到较好的混合效果，一种途径是在膨胀前的低 速气流中加入要燃料，但是此时气流的温度和压力很高，加入燃料容易发生燃烧。另一种 思路是论文《Research of supersonic combustion》禾口论文《A study of supersonic combustion》公布的在气流膨胀、静温下降后再通过喷射杆加入燃料，这种方式虽然避免了 预着火，但混合效率非常低，且在超声速流场中放置喷射杆将对气流造成很大的干扰，此设 计后来很少被采用。从以上列举的超声速预混实验风洞可知，目前采用燃烧方案的超声速预混实验风 洞需要在以下几个方面进行改进1、预混气高总焓2、预混气当量比大范围可调3、预混气混合均勻性好4、防止预混气进入实验段前出现预着火5、降低实验段的反压，提高超声速气流马赫数
技术实现思路
本专利技术目的综合上述超声速预混实验系统的设计特点，结合燃烧型加热器与阵 列喷管的设计思想，并把实验段连接到真空舱中，研制能产生混合均勻性好的连续式预混 超声速气本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种用于爆震燃烧研究的超声速地面实验风洞，包括超声速预混加热器、实验段及真空舱，其特征在于，超声速预混加热器包括喷注器（６）、预热燃烧室（１）、阵列喷管模块、混合段（３）；阵列喷管模块包括阵列喷管（５）与燃料阵列喷嘴（４）；预热燃烧室（１）与阵列喷管（５）采用法兰连接，阵列喷管（５）与混合段（３）采用法兰连接；喷注器（６）与预热燃烧室（１）采用法兰连接；喷注器采用多对对撞式喷嘴阵列排布方式，喷注器组合件由喷注器本体、接管嘴和喷注器盖板组成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：林志勇，吴海燕，周进，赖林，李自然，韩旭，
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：43
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