本發(fā)明涉及超燃沖壓發(fā)動機，尤其是涉及一種提升超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：
超燃沖壓發(fā)動機是實現(xiàn)高超聲速飛行的首選動力系統(tǒng)，具有比沖性能高、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕且速度快等優(yōu)點，被廣泛用于空天飛機、高超聲速飛機以及高超音速巡航導(dǎo)彈等領(lǐng)域。在超燃沖壓發(fā)動機涉及的問題中，如何實現(xiàn)燃料高效噴射、摻混并組織穩(wěn)定點火燃燒是關(guān)鍵問題之一。由于超聲速主流在超燃沖壓發(fā)動機通道內(nèi)駐留的時間通常僅為幾毫秒，在這么短的時間和空間內(nèi)，燃燒室中的空氣和燃料很難進行高效摻混并穩(wěn)定燃燒。因此，燃料的噴射和摻混效率直接決定著超燃燃燒室的工作效率，并對超燃沖壓發(fā)動機的尺寸、結(jié)構(gòu)和熱負荷設(shè)計有重要意義。目前，超燃燃燒室中的燃料噴射布局主要分為以下兩種：一是壁面噴射布局，其特點是燃料從燃燒室壁面垂直或傾斜噴注，摻混效率高且火焰穩(wěn)定，但造成的總壓損失大；另一種是插入式噴射布局，即燃料噴射器安裝在燃燒室通道的中心，將燃料平行噴入到空氣中，使發(fā)動機直接利用燃料噴射動量作為推力，增加燃燒室的推力，其總壓損失較小但是摻混效果不太理想，且插入式結(jié)構(gòu)易受到熱侵蝕。為此，設(shè)計一種摻混效率較好同時兼具較高的總壓恢復(fù)性能，且結(jié)構(gòu)簡單、熱防護難度低的燃料噴射裝置對超燃沖壓發(fā)動機性能的進一步提升具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種提升超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混的設(shè)計方法。本發(fā)明包括以下步驟：1)根據(jù)所需燃料總流量確定圓形燃料噴嘴的直徑和個數(shù)，并對僅帶有單個圓形燃料噴嘴的算例進行數(shù)值計算，獲得燃料的擴散直徑以及壁面邊界層發(fā)展規(guī)律；2)確定半球體渦流發(fā)生器的直徑以及位置，確保半球體渦流發(fā)生器的直徑等于燃料最大擴散直徑，以保證其產(chǎn)生的渦系結(jié)構(gòu)能夠覆蓋整個燃料與空氣的摻混區(qū)域，同時依據(jù)步驟1)獲得的壁面邊界層厚度發(fā)展規(guī)律，將半球體渦流發(fā)生器安置于壁面邊界層厚度為0.3～0.5倍的半球體渦流發(fā)生器直徑的壁面處，由此確定半球體渦流發(fā)生器在燃燒室壁面上的位置，并對僅帶有單個半球體渦流發(fā)生器的算例進行數(shù)值計算，獲得半球體渦流發(fā)生器渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律；3)確定圓形燃料噴嘴與半球體渦流發(fā)生器之間的中心距；4)確定相鄰兩個半球體渦流發(fā)生器的中心距；5)確定膨脹段的轉(zhuǎn)折角、長度和距燃燒室入口的位置；根據(jù)燃燒室來流馬赫數(shù)和圓形燃料噴嘴的位置，通過調(diào)整膨脹段轉(zhuǎn)折角、長度以及轉(zhuǎn)折起點與超燃燃燒室入口的距離，確保由其產(chǎn)生的膨脹激波扇面能夠盡量覆蓋整個燃料與空氣摻混區(qū)域；6)采用等熵壓縮段過渡連接膨脹段和超燃燃燒室上壁面，進而完成整個超燃燃燒室噴射系統(tǒng)構(gòu)造的設(shè)計，所設(shè)計的超燃燃燒室噴射系統(tǒng)構(gòu)造提升了超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混。在步驟3)中，所述確定圓形燃料噴嘴與半球體渦流發(fā)生器之間的中心距的具體方法可為：根據(jù)步驟1)獲得的圓形燃料噴嘴燃料擴散直徑和步驟2)得到的半球體渦流發(fā)生器渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律，確保圓形燃料噴嘴出口處的燃料擴散直徑與半球體渦流發(fā)生器在該位置的渦結(jié)構(gòu)直徑相同，由此確定圓形燃料噴嘴與半球體渦流發(fā)生器之間的距離；在步驟4)中，為了確保相鄰兩個半球體渦流發(fā)生器產(chǎn)生的渦系結(jié)構(gòu)之間不發(fā)生相互干涉，相鄰兩個半球體渦流發(fā)生器的中心距應(yīng)取2～2.2倍半球體渦流發(fā)生器直徑。本發(fā)明的主要原理為：通過改變常規(guī)矩形超燃燃燒室上壁面的部分形面，在燃燒室內(nèi)引入一系列膨脹波波面，利用膨脹波削弱噴流弓形激波的強度同時迫使燃料由壁面朝燃燒室中心匯聚，降低超燃燃燒室總壓損失且提高燃料摻混效率；同時在圓形燃料噴嘴前設(shè)置一個或多個平行的半球體渦流發(fā)生器結(jié)構(gòu)，利用半球體渦流發(fā)生器產(chǎn)生的渦系結(jié)構(gòu)和回流區(qū)進一步提升超燃燃燒室燃料摻混效率，從而達到提高燃燒室工作效率和縮短發(fā)動機尺寸的目的。根據(jù)以上的設(shè)計方案，可以實現(xiàn)以下有益效果：(1)本發(fā)明所述半球體渦流發(fā)生器產(chǎn)生的反向?qū)π郎u和膨脹段誘導(dǎo)出的膨脹波能夠產(chǎn)生劇烈的剪切和匯聚運動，促進燃料與空氣摻混，大大提高超燃燃燒室的工作效率，從而縮短超燃燃燒室的尺寸，減輕超燃燃燒室的重量，增加發(fā)動機推力。(2)本發(fā)明所述半球體渦流發(fā)生器在尾部區(qū)域產(chǎn)生的回流區(qū)有利于燃料組織穩(wěn)定燃燒。(3)相比于其他的燃料噴射布局，所述膨脹段誘導(dǎo)出的膨脹波能夠削弱弓形激波而降低燃燒室總壓損失。且所述半球體渦流發(fā)生器安裝在燃燒室壁面邊界層內(nèi)，造成的總壓損失小，熱負荷小，降低超燃燃燒室內(nèi)結(jié)構(gòu)熱防護的難度。附圖說明圖1為單個圓形燃料噴嘴噴射流場原理示意圖；圖2為一種提升超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混的設(shè)計方法示意圖；圖3為一種提升超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混的設(shè)計方法原理俯視圖；圖4為一種提升超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混的設(shè)計方法原理正等軸測圖；圖1～4中標注的大寫字母用于表征尺寸，分別為：A.膨脹段轉(zhuǎn)折起點與燃燒室入口距離，B.壁面邊界層厚度，C.半球體渦流發(fā)生器與圓形燃料噴嘴中心距，D.半球體渦流發(fā)生器直徑，E.膨脹段轉(zhuǎn)折角，F(xiàn).膨脹波面扇角，G.燃料擴散直徑，H.燃燒室入口高度，J.渦系結(jié)構(gòu)橫向直徑，L.半球體渦流發(fā)生器中心距入口的距離，M.膨脹段長度，S.相鄰兩個半球體渦流發(fā)生器中心距。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。參見圖1～4，所述一種提升超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混的設(shè)計方法，設(shè)有超燃燃燒室1、半球體渦流發(fā)生器2、圓形燃料噴嘴3、膨脹段4、等熵壓縮段5。所述超燃燃燒室1為常規(guī)矩形燃燒室,其內(nèi)流通道截面呈矩形,通道內(nèi)主流(AirFlow)6為超聲速空氣；所述半球體渦流發(fā)生器2緊貼超燃燃燒室1壁面，安裝在圓形燃料噴嘴3上游，其產(chǎn)生的渦系結(jié)構(gòu)9能夠促進下游燃料與空氣的摻混；所述圓形燃料噴嘴3整體呈現(xiàn)收斂狀，燃料12通過圓形噴嘴能夠垂直噴注入超燃燃燒室1內(nèi)，其中軸線與半球體渦流發(fā)生器2中軸線共線；所述膨脹段4位于超燃燃燒室1上壁面，其產(chǎn)生的一系列膨脹波波面8能削弱弓形激波10，從而降低超燃燃燒室1的總壓損失，同時膨脹波波面8覆蓋燃料和空氣摻混的摻混區(qū)域，迫使該區(qū)域內(nèi)的流體由壁面朝燃燒室中心擴散，進而提高燃料的摻混效率；所述等熵壓縮段5用于膨脹段4和超燃燃燒室1上壁面之間的過渡連接，避免由于氣流劇烈轉(zhuǎn)折而形成強的斜激波。所述一種提升超燃燃燒室內(nèi)燃料噴射和摻混的設(shè)計方法，包括以下步驟：(1)首先根據(jù)所需燃料12總流量確定圓形燃料噴嘴3的直徑d和個數(shù)，并對僅帶有單個圓形燃料噴嘴3的算例進行數(shù)值計算，獲得燃料的擴散直徑G以及壁面邊界層厚度B發(fā)展規(guī)律，如圖1所示；(2)接著確定半球體渦流發(fā)生器2的直徑D以及位置L。確保半球體渦流發(fā)生器直徑D等于燃料最大擴散直徑G，以保證其產(chǎn)生的渦系結(jié)構(gòu)9能夠覆蓋整個燃料與空氣的摻混區(qū)域，同時依據(jù)步驟(1)獲得的壁面邊界層厚度B發(fā)展規(guī)律，將半球體渦流發(fā)生器2安置于壁面邊界層厚度B約為0.3～0.5倍的半球體渦流發(fā)生器直徑D的壁面處，由此確定半球體渦流發(fā)生器2在燃燒室壁面上的位置。并對僅帶有單個半球體渦流發(fā)生器2的算例進行數(shù)值計算，獲得半球體渦流發(fā)生器渦系結(jié)構(gòu)9的發(fā)展規(guī)律；(3)之后確定圓形燃料噴嘴3與半球體渦流發(fā)生器2之間的中心距C。根據(jù)步驟1獲得的圓形燃料噴嘴燃料擴散直徑G和步驟2得到的半球體渦流發(fā)生器渦系結(jié)構(gòu)9發(fā)展規(guī)律，確保圓形燃料噴嘴3出口處的燃料擴散直徑G與半球體渦流發(fā)生器2在該位置的渦結(jié)構(gòu)直徑J相同，由此確定圓形燃料噴嘴3與半球體渦流發(fā)生器2之間的距離(4)隨后確定相鄰兩個半球體渦流發(fā)生器2的中心距S。為了確保相鄰兩個半球體渦流發(fā)生器2產(chǎn)生的渦系結(jié)構(gòu)9之間不發(fā)生相互干涉，相鄰兩個半球體渦流發(fā)生器2的中心距S應(yīng)取2～2.2倍半球體渦流發(fā)生器直徑D。(5)再而確定膨脹段4的轉(zhuǎn)折角E、長度M和與超燃燃燒室1入口的距離A。根據(jù)燃燒室來流6馬赫數(shù)和圓形燃料噴嘴2的位置，通過調(diào)整膨脹段4的轉(zhuǎn)折角E、長度M以及轉(zhuǎn)折起點與超燃燃燒室1入口的距離A，確保由其產(chǎn)生的膨脹激波扇面8能夠盡量覆蓋整個燃料與空氣摻混區(qū)域；(6)最后采用等熵壓縮段5過渡連接膨脹段4和超燃燃燒室1上壁面，進而完成整個超燃燃燒室噴射系統(tǒng)構(gòu)造的設(shè)計。