模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其是利用試驗設(shè)備產(chǎn)生模擬燃燒室內(nèi)2000K以上的高溫含水氣流的方法，首先由所述電弧加熱器加熱產(chǎn)生的高溫空氣，使該高溫空氣流入所述混合穩(wěn)壓室；利用所述進(jìn)水口按照在徑向上相對地等質(zhì)量的方式向所述混合穩(wěn)壓室內(nèi)噴入一定質(zhì)量流量的常溫液態(tài)水；所述常溫液態(tài)水遇到高溫空氣后吸熱汽化，并與高溫空氣充分摻混，形成高溫含水組分的氣流，使該氣流進(jìn)入所述試驗噴管。采用本發(fā)明的方法能夠產(chǎn)生高溫(2000K以上)含水組分的氣流，可以應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃燒室防熱材料的耐燒蝕性能和燒蝕機(jī)理研究的氣動熱地面試驗。
【專利說明】模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的氣動熱地面試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動機(jī)燃燒室的熱防護(hù)技術(shù)是超燃沖壓發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。C/C、C/SiC以及超高溫陶瓷(UHTC)等碳基和陶瓷基復(fù)合材料等超高溫防熱材料，以其較好的高溫化學(xué)和物理性能，在發(fā)動機(jī)燃燒室的熱防護(hù)系統(tǒng)中得到了較為廣泛的使用。材料表面氧化燒蝕和機(jī)械剝蝕是發(fā)動機(jī)燃燒室防熱材料燒蝕甚至破壞的主要表現(xiàn)形式。
[0003]在碳?xì)淙剂先紵磻?yīng)后，燃燒室內(nèi)部的氣體成分主要是燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水蒸汽以及空氣中的氮氣和少量氧氣。在燃燒室內(nèi)部的高溫?zé)岘h(huán)境下，燃燒室壁面的部分防熱材料與水蒸汽發(fā)生的氧化反應(yīng)比與空氣中的氧氣還要快。同時，水蒸汽還能與材料表面的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞材料表面形成的玻璃狀保護(hù)層，生成氣態(tài)的氫氧化硅。這些氧化和揮發(fā)化學(xué)反應(yīng)對燃燒室的防熱材料的抗氧化和耐燒蝕效果有明顯的影響。為了分析該情況下防熱材料的氧化燒蝕機(jī)理，需要在熱防護(hù)材料考核的地面試驗中對水蒸汽的組分、濃度和溫度進(jìn)行模擬。
[0004]氣動熱地面考核驗證試驗中，電弧加熱設(shè)備是對材料的熱防護(hù)性能進(jìn)行考核的主要設(shè)備。利用其創(chuàng)造的高溫、高速氣流可以模擬高超聲速飛行器在臨近空間內(nèi)飛行馬赫數(shù)Ma5?20、試驗時間千秒量級的氣動加熱環(huán)境。
[0005]利用電弧加熱的雙模型湍流導(dǎo)管試驗設(shè)備能夠模擬發(fā)動機(jī)燃燒室防熱材料表面的內(nèi)流熱環(huán)境，但是氣體組分為高溫空氣。而燃?xì)怙L(fēng)洞提供的氣體組分中雖然含有水蒸氣，但是其能模擬的總溫上限大約在2000K左右，不能滿足發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)部的高溫(2000K以上)條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法?？梢阅M燃燒室內(nèi)部含水氣流中的水蒸汽組分、質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω以及氣流總溫Ttl、氣流總壓和氣流速度，為發(fā)動機(jī)燃燒室防熱材料的耐燒蝕性能考核和材料燒蝕機(jī)理研究提供地面試驗條件。
[0007]本發(fā)明技術(shù)方案的模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法是利用試驗設(shè)備產(chǎn)生模擬燃燒室內(nèi)2000Κ以上的高溫含水氣流的方法,所述試驗設(shè)備包括電弧加熱器、混合穩(wěn)壓室和試驗噴管，在所述混合穩(wěn)壓室上游的室壁上具有在徑向上彼此相對的偶數(shù)個進(jìn)水口，所述模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法包括:步驟一:由所述電弧加熱器產(chǎn)生高溫空氣，使該高溫空氣流入所述混合穩(wěn)壓室；步驟二:利用所述進(jìn)水口按照在徑向上相對地等質(zhì)量流量的方式向所述混合穩(wěn)壓室內(nèi)噴入常溫液態(tài)水；和步驟三:所述常溫液態(tài)水遇到高溫空氣后吸熱汽化，并與高溫空氣充分摻混，形成高溫含水組分的氣流，之后該氣流進(jìn)入所述試驗噴管。[0008]優(yōu)選所述電弧加熱器是管狀電弧加熱器、分段式電弧加熱器或疊片式電弧加熱器。
[0009]優(yōu)選模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法還包括在試驗前對試驗所需各項參數(shù)進(jìn)行計算的參數(shù)確定步驟。
[0010]優(yōu)選所述參數(shù)確定步驟包括根據(jù)所需要模擬的燃燒室內(nèi)部燃燒的當(dāng)量比和燃油組分，確定高溫氣流中水組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；并根據(jù)所述電弧加熱器產(chǎn)生的高溫空氣質(zhì)量流量，計算出噴入所述混合穩(wěn)壓室的常溫液態(tài)水質(zhì)量流量的步驟。
[0011]優(yōu)選所述參數(shù)確定步驟還包括根據(jù)所需要模擬的燃燒室內(nèi)高溫含水氣流總溫、高溫空氣的質(zhì)量流量和常溫液態(tài)水的質(zhì)量流量，計算出在未噴入水前所述電弧加熱器需要產(chǎn)生的高溫空氣總比焓的步驟。
[0012]優(yōu)選所述參數(shù)確定步驟還包括利用氣液兩相流的數(shù)值模擬方法，能夠確定摻混均勻時需要的所述混合穩(wěn)壓室的最小軸向長度的步驟。
[0013]發(fā)明效果
[0014]本發(fā)明通過在混合穩(wěn)壓室內(nèi)使噴入一定質(zhì)量流量的常溫液態(tài)水與電弧加熱器產(chǎn)生的高溫空氣摻混、吸熱汽化，并在進(jìn)入試驗噴管前達(dá)到水蒸汽和高溫空氣摻混均勻的狀態(tài)，形成模擬發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的高溫(2000K以上)含水氣流的試驗條件，為開展發(fā)動機(jī)燃燒室防熱材料在高溫含水氣流中的氧化燒蝕機(jī)理研究提供地面試驗保障。
[0015]本發(fā)明采用在所述混合穩(wěn)壓室上游的所述進(jìn)水口采用徑向、相向、等質(zhì)量流量地噴入常溫液態(tài)水的方式，消除了液態(tài)水的徑向速度，增強(qiáng)了水與高溫空氣摻混的強(qiáng)度和效果O
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明試驗設(shè)備示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明混合穩(wěn)壓室上游進(jìn)水口布置示意圖。
[0018]符號說明
[0019]I電弧加熱器
[0020]2混合穩(wěn)壓室
[0021]3試驗噴管
[0022]4 進(jìn)水 口
【具體實施方式】
[0023]以下，參照附圖，對本發(fā)明實施方式進(jìn)行說明。
[0024]如圖1所示，模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗設(shè)備包括電弧加熱器1、混合穩(wěn)壓室2和試驗噴管3，電弧加熱器1、混合穩(wěn)壓室2和試驗噴管3彼此之間密封連接。電弧加熱器I可以采用管狀電弧加熱器、分段式電弧加熱器或疊片式電弧加熱器等?；旌戏€(wěn)壓室2根據(jù)需要可以選擇不同軸向長度的混合穩(wěn)壓室。試驗噴管3也可以根據(jù)需要選擇不同形狀或長度的試驗噴管。
[0025]如圖2所示，在混合穩(wěn)壓室2上游的室壁上配置有進(jìn)水口 4，該進(jìn)水口 4按照徑向彼此相對的方式在室壁上均勻配置偶數(shù)個(2η)，通過進(jìn)水口 4可以沿徑向?qū)旌戏€(wěn)壓室2內(nèi)部噴注液態(tài)水。進(jìn)水口 4配置方式不限于圖中所示，只要能夠以相向、等質(zhì)量流量的方式消除液態(tài)水的徑向速度即可。
[0026]在利用上述試驗設(shè)備進(jìn)行具體試驗之前，必須先確定各項參數(shù)，即，要先計算出需要噴入混合穩(wěn)壓室2的常溫液態(tài)水的質(zhì)量流量Gwate，然后確定電弧加熱器I的工作參數(shù)，最后還需要確定使水與高溫空氣的充分摻混均勻的混合穩(wěn)壓室2的最小軸向長度。
[0027]一、試驗所需的常溫液態(tài)水的質(zhì)量流量Gwate的計算:
[0028]根據(jù)需要模擬的燃燒室內(nèi)部燃燒的當(dāng)量比和燃油組分，確定高溫氣流中水組分在燃燒后的摻混氣流中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω。
[0029]碳?xì)淙剂螩xHy與空氣燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為:
【權(quán)利要求】
1.一種模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其是利用試驗設(shè)備產(chǎn)生模擬燃燒室內(nèi)2000K以上的高溫含水氣流的方法，所述試驗設(shè)備包括電弧加熱器、混合穩(wěn)壓室和試驗噴管，在所述混合穩(wěn)壓室上游的室壁上具有在徑向上彼此相對的偶數(shù)個進(jìn)水口，所述模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法的特征在于，包括: 步驟一:由所述電弧加熱器產(chǎn)生高溫空氣，使該高溫空氣流入所述混合穩(wěn)壓室； 步驟二:利用所述進(jìn)水口按照在徑向上相對地等質(zhì)量流量的方式向所述混合穩(wěn)壓室內(nèi)噴入常溫液態(tài)水；和 步驟三:所述常溫液態(tài)水遇到所述高溫空氣后吸熱汽化，并與所述高溫空氣充分摻混，形成高溫含水組分的氣流，之后該氣流進(jìn)入所述試驗噴管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其特征在于:所述電弧加熱器是管狀電弧加熱器、分段式電弧加熱器或疊片式電弧加熱器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其特征在于:還包括在試驗前對試驗所需各項參數(shù)進(jìn)行計算的參數(shù)確定步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其特征在于:所述參數(shù)確定步驟包括根據(jù)所需要模擬的燃燒室內(nèi)部燃燒的當(dāng)量比和燃油組分，計算高溫氣流中水組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；并根據(jù)所述電弧加熱器產(chǎn)生的高溫空氣質(zhì)量流量，計算出噴入所述混合穩(wěn)壓室的常溫液態(tài)水質(zhì)量流量的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其特征在于:所述參數(shù)確定步驟還包括根據(jù)所需要模擬的燃燒室內(nèi)高溫含水氣流總溫、高溫空氣的質(zhì)量流量和常溫液態(tài)水的質(zhì)量流量，計算出在未噴入水前電弧加熱器需要產(chǎn)生的高溫空氣總比洽的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其特征在于:所述參數(shù)確定步驟還包括利用氣液兩相流的數(shù)值模擬方法，能夠確定摻混均勻時需要的所述混合穩(wěn)壓室的最小軸向長度的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬燃燒室內(nèi)高溫含水氣流的試驗方法，其特征在于:所述參數(shù)確定步驟還包括利用氣液兩相流的數(shù)值模擬方法，能夠確定摻混均勻時需要的所述混合穩(wěn)壓室的最小軸向長度的步驟。
【文檔編號】G01N25/00GK103954643SQ201410190361
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】涂建強(qiáng), 陳連忠, 彭錦龍, 楊忠凱 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院