超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法
【專利摘要】超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法，涉及近空間飛行器。噴嘴分布的基本方式有三種：根據(jù)流動特征在近渦壁面周向分布噴嘴、沿流向分布噴嘴或在近渦壁面“品”字形分布噴嘴。解決了現(xiàn)有超燃沖壓發(fā)動機(jī)按部件設(shè)計中存在的不足，即進(jìn)氣道設(shè)計要盡量控制出口均勻性，而燃燒室設(shè)計要人為引入非均勻渦結(jié)構(gòu)。利用三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道出口的低能/低速區(qū)和角區(qū)渦結(jié)構(gòu)，合理配置燃燒室噴嘴位置，加強(qiáng)進(jìn)氣道和超燃燃燒室之間流動特征的聯(lián)系，可以增強(qiáng)燃料噴射和摻混效果，從而間接提高燃燒效率，提高超燃沖壓發(fā)動機(jī)的總體性能。
【專利說明】超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及近空間飛行器，尤其是涉及一種考慮進(jìn)氣道流動特征的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近空間飛行器研究是目前國際競相爭奪空間技術(shù)的焦點(diǎn)之一，而超燃沖壓發(fā)動機(jī)研究又因其重要的戰(zhàn)略意義成為近空間飛行器發(fā)展的重中之重。以美、俄、德、法、澳為代表的世界強(qiáng)國都在大力推進(jìn)各自的超燃沖壓發(fā)動機(jī)研制計劃。其中，燃料的噴射、摻混、點(diǎn)火是實(shí)現(xiàn)超聲速燃燒乃至高超聲速飛行的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。由于超燃沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)的主流流速多為超聲速，進(jìn)氣道捕獲來流在發(fā)動機(jī)流道內(nèi)通常只有毫秒的滯留時間。要想在這樣短的時間內(nèi)完成對主流的減速增壓，并使其與燃料在超聲速流動狀態(tài)下迅速、均勻、穩(wěn)定地完成低損失、高效率的摻混、點(diǎn)火并燃燒是十分困難的。此外，燃料在主流中的噴射和摻混效率還直接決定著沖壓發(fā)動機(jī)的長度、尺寸、結(jié)構(gòu)和熱負(fù)荷設(shè)計。因此，合理地設(shè)計、布局燃料噴射系統(tǒng)對燃料的有效摻混與燃燒具有重要意義。
[0003]按結(jié)構(gòu)形式，常規(guī)超燃燃燒室可以分為:(I)等直通道；(2)擴(kuò)張通道；(3)后臺階結(jié)構(gòu)；(4)凹腔形式；(5)中心支板結(jié)構(gòu)等。按燃料噴射方式，超燃燃燒室則劃分為:(O垂直噴流；(2)平行噴流；(3)帶傾斜角度的斜向噴流，以及(4)帶中心支板的后向噴流燃燒室等。除此之外，近期國際上還提出了一些新的超燃燃料噴射概念。如日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)提出的Hyper mixer概念，國內(nèi)有譯作縱潤導(dǎo)入式燃料噴射裝置。該方案采用與后斜坡擴(kuò)張通道縱向交錯的噴嘴形式，利用噴嘴下部回流區(qū)附近產(chǎn)生的潤對來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)燃料摻混的目的([I]Kodera, M., Sunami, T., and Ito, K., Pre-flightanalysis of scramjet flight experiment by CFDj Proceedings of AerospaceNumerical Simulation Symposium,pp.221-226，2005 ； [2]TakahashijM.，ItojK.，Sunami, T.，Tannoj H.，Komuroj T.，Sato, K.，and Kodera, M.，Research on scramjet engineat hypervelocity condition, FY2004Report of Joint Research Achievements ofthe Space Division of Institute of Aerospace Technology and Institute ofSpace and Astronautical Science:Basic Technologies of Space TransportationSystems, pp.81-86，ISSN:1SSN1349_113X，2006)。JAXA 和德國航空航天中心(DLR)，澳大利亞昆士蘭大學(xué)(University of Queensland，UQ)合作，已經(jīng)將Hyper mixer噴嘴運(yùn)用于DLR哥廷根的高焓風(fēng)洞試驗(yàn)和Hyshot飛行演示驗(yàn)證計劃。此外，DLR還單獨(dú)研發(fā)了一種中心支板帶上下斜噴的“裂式”噴射系統(tǒng)(Lobed strut injector concept) ([3]Rust，B.，Gerlinger，P.，and Manfred A., An improved lobed strut injector conceptfor supersonic combustion.Proc.46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint PropulsionConference and Exhibit，AIAA-2010-6962，2010)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示此類噴射系統(tǒng)與Hyper mixier概念有異曲同工之妙，也利用了噴嘴附近迅速形成的渦特性來加強(qiáng)燃料的噴射和摻混效率。澳大利亞UQ還提出用一系列沿流向和展向的小噴嘴替代單個較大孔徑的噴嘴系統(tǒng)，從而在幾乎相同噴射流量條件下提高噴射和摻混效率，降低總壓損失和提高壁面冷卻效率。該噴射概念運(yùn)用的主要流動機(jī)理是每一個下游噴嘴都能夠充分利用上游噴嘴形成有效潤結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)燃料摻混與穿透深度([4]PudseyA.S.，and BoyceR.R.，Numericalinvestigation of transverse jets through mult1-port injector arrays in asupersonic crossflow,AIAA-2008-2517, 2008)。
[0004]以上幾類新概念噴射系統(tǒng)有三個顯著共同點(diǎn)。第一，都是通過人為設(shè)計在燃燒室進(jìn)口(或者說噴嘴附近)形成新的渦結(jié)構(gòu)，然后合理利用這樣的渦結(jié)構(gòu)達(dá)到加強(qiáng)噴射和摻混的目的。第二，所有的設(shè)計、數(shù)值模擬與分析都是假定燃燒室進(jìn)口，即進(jìn)氣道出口來流完全均勻。第三，研究對象都是矩形截面(二元式)的超燃燃燒室結(jié)構(gòu)。近年來，隨著新概念進(jìn)氣道方案的不斷面世以及高超聲速飛行系統(tǒng)必須高度一體化設(shè)計的理念日益取得共識，超燃沖壓發(fā)動機(jī)正在朝復(fù)雜全三維，內(nèi)/外流道(前體/進(jìn)氣道/燃燒室/噴管)一體化設(shè)計的方向發(fā)展。但現(xiàn)有的沖壓發(fā)動機(jī)設(shè)計概念都是將高超進(jìn)氣道，超燃燃燒室劃分為不同的子系統(tǒng)進(jìn)行孤立的設(shè)計，很少考慮二者之間的匹配和一體化問題，特別是如何利用三維進(jìn)氣道出口的復(fù)雜流動特征，為優(yōu)化下游燃燒室性能，提高燃料噴射和摻混能力服務(wù)。
[0005]對許多復(fù)雜系統(tǒng)而言，將總體分解成為各個不同功能的子部件進(jìn)行分別設(shè)計是一種有效的設(shè)計手段。國內(nèi)外現(xiàn)有研究中，超燃沖壓發(fā)動機(jī)的設(shè)計也采用這種設(shè)計概念。設(shè)計人員針對進(jìn)氣道，燃燒室分別開展研究。大多數(shù)情況下，對進(jìn)氣道提出的設(shè)計要求是出口流場盡量均勻；而給定超燃燃燒室的來流條件則是均勻的超聲速來流。這樣做的原因有三:(O為了有效簡化設(shè)計目標(biāo)和來流條件；(2)兩個獨(dú)立設(shè)計的子部件之間缺少有效的信息傳遞和反饋機(jī)制；(3)對進(jìn)氣道出口流場和燃燒室內(nèi)部流場缺乏足夠的認(rèn)識，例如:如何理解湍流渦特征等復(fù)雜流動現(xiàn)象對燃燒室內(nèi)燃料噴射、摻混等非定常特性的影響規(guī)律？
[0006]同時，一個顯然存在的問題是:高超聲速進(jìn)氣道要獲得完全均勻的出口流動是十分困難的。現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀是:由于幾何外形的復(fù)雜變化和通道內(nèi)激波的不規(guī)則反射，在進(jìn)氣道出口平面通常都存在一些低速/低能區(qū)和角渦特征。如果單純從進(jìn)氣道出口均勻性考慮，進(jìn)氣道設(shè)計人員只能采取附加的手段(如流場主動控制)來抑制這種出口非均勻性，這無疑會帶來額外的流動損失。另一方面，絕大多數(shù)假定進(jìn)口來流絕對均勻的超燃燃燒室研究又表明，燃燒室設(shè)計人員必須人為制造一些復(fù)雜的噴射形式(如Hyper mixer)來生成低速回流區(qū)和渦特征，以便有效提高燃燒室的燃料噴射和摻混特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷，提供一種利用進(jìn)氣道出口已有的低能/低速區(qū)和復(fù)雜的渦特征，合理配置超燃燃燒室噴嘴位置和形式，從而提高超燃沖壓發(fā)動機(jī)的燃料噴射和摻混效率的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法。
[0008]本發(fā)明包括以下步驟:
[0009]I)用流體數(shù)值模擬軟件對具有類V字形進(jìn)口的三維內(nèi)乘波進(jìn)氣道進(jìn)行仿真，得到高超聲速進(jìn)氣道在高超聲速來流條件下的流場，根據(jù)流場特征，獲得沿內(nèi)乘波進(jìn)氣道內(nèi)收縮段兩側(cè)生成和發(fā)展的角區(qū)渦，以及在進(jìn)氣道底部前緣生成的低能/低速區(qū)；
[0010]在步驟I)中，所述進(jìn)氣道是一種設(shè)計馬赫數(shù)大于5的高超聲速三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道，進(jìn)氣道的進(jìn)口形狀為類V字形，出口截面形狀是橢圓形或圓形；此類進(jìn)氣道在出口附近存在明顯的低能/低速區(qū)和角區(qū)渦結(jié)構(gòu)的特征。
[0011]2)截取內(nèi)乘波進(jìn)氣道與燃燒室分界截面的流場，估算角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的分布位置和覆蓋范圍，應(yīng)用計算流體后期處理軟件對進(jìn)氣道出口流場的壓力分布進(jìn)行處理，得到進(jìn)氣道出口截面內(nèi)的等值壓力線，從等值壓力線的分布區(qū)分出位于進(jìn)氣道出口截面左右上角的角區(qū)渦和位于進(jìn)氣道出口截面底部的低能/低速區(qū)，并估算各自的位置和覆蓋范圍,進(jìn)氣道左右上角的角區(qū)渦在進(jìn)氣道出口截面流場中表現(xiàn)為兩對反向?qū)π郎u對；
[0012]3)根據(jù)角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的分布位置和覆蓋范圍確定噴嘴的分布形式，包括噴嘴的個數(shù)、位置和噴射角度；所述分布形式包括:
[0013]a)噴嘴沿周向分布:針對角區(qū)渦和低能/低速區(qū)覆蓋范圍較廣的情況，進(jìn)氣道左右上角沿角區(qū)渦周向布置噴嘴，噴嘴等距分布于對旋渦對之間；進(jìn)氣道底部沿低能/低速區(qū)周向布置噴嘴，噴嘴等距分布于低能/低速區(qū)之間；噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖迹{(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度；
[0014]b)噴嘴沿流向分布:針對角區(qū)渦和低能/低速區(qū)覆蓋范圍較窄的情況，進(jìn)氣道左右上角沿角區(qū)渦流向布置噴嘴，噴嘴等距分布于角區(qū)渦的流路上；進(jìn)氣道底部沿低能/低速區(qū)流向布置噴嘴，噴嘴等距分布于低能/低速區(qū)流路上；噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖?，調(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度；
[0015]c)噴嘴呈“品”字形分布:此類分布具有普適性，進(jìn)氣道左右上角采用“品”字形布置噴嘴，先在對旋渦對之間布置一個噴嘴，然后根據(jù)渦對的發(fā)展在其下游布置兩個噴嘴，進(jìn)氣道底部也采用“品”字形布置噴嘴，噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖?，調(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度。
[0016]在步驟3)中，所述噴嘴的位置和分布形式不單一，根據(jù)低能/低速區(qū)和角區(qū)渦的大小，選擇噴嘴個數(shù)并在近渦壁面沿周向分布，除了靠近噴嘴上下游形成的流動分離有助于燃料的摻混和點(diǎn)火外，噴嘴的周向分布又可以充分利用進(jìn)氣道出口角區(qū)渦的橫向剪切力，達(dá)到燃料快速摻混的目的；
[0017]所述噴嘴可設(shè)至少2個，至少2個噴嘴沿流向分布在近渦壁面；超燃沖壓進(jìn)氣道出口的低能/低速區(qū)和角區(qū)渦必然會向下游發(fā)展，如果只在燃燒室上游布置一個噴嘴，燃料摻混的效率未必能達(dá)到設(shè)計目的；沿流向分布多個噴嘴，既可以利用沖壓進(jìn)氣道出口的低能/低速區(qū)和角區(qū)渦，又可以使每一個下游噴嘴都能充分利用上游噴嘴形成的有效渦結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)燃料摻混與穿透深度；上游進(jìn)氣道與下游燃燒室之間等面積連接，不存在幾何面積的漸變或突變過渡；
[0018]所述噴射角度不單一，可以垂直噴射也可傾斜順流向噴射或傾斜逆流向噴射；具體的噴嘴角度可根據(jù)實(shí)際設(shè)計要求確定。
[0019]本發(fā)明是通過分析高超聲速三維內(nèi)收縮式進(jìn)氣道出口低能/低壓和角區(qū)渦的位置，確定超燃燃燒室噴嘴的位置和分布形式。
[0020]所述燃料噴射系統(tǒng)，可適用于進(jìn)氣道出口存在明顯低能/低速區(qū)和角區(qū)渦的各類超燃燃燒室，進(jìn)氣道出口和燃燒室截面形狀可以是圓形或橢圓形等復(fù)雜幾何形狀。[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):利用高超聲速三維內(nèi)收縮式進(jìn)氣道出口已有的低能/低速區(qū)和復(fù)雜的渦特征來配置超燃燃燒室噴嘴位置和形式，增強(qiáng)了進(jìn)氣道與超燃燃燒室流場的聯(lián)系，加強(qiáng)了兩者的一體化設(shè)計程度。進(jìn)氣道設(shè)計不用采取附加的手段(如流場主動控制)來抑制進(jìn)氣道出口非均勻性，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了不必要的的流動損失。同時，燃燒室設(shè)計不用人為制造一些復(fù)雜的噴射形式(如Hyper mixer)來生成低速回流區(qū)和潤特征。通過利用進(jìn)氣道出口已有的低能/低速區(qū)和復(fù)雜的渦特征，合理配置超燃燃燒室噴嘴位置和形式，便能增強(qiáng)燃料噴射和摻混能力，實(shí)現(xiàn)下游燃燒室性能乃至沖壓發(fā)動機(jī)總體性能的提升。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是高超聲速內(nèi)乘波式進(jìn)氣道(近似方形進(jìn)口、橢圓型出口)流場特征示意圖。
[0023]圖2是高超聲速內(nèi)乘波式進(jìn)氣道、超燃燃燒室(噴嘴周向分布方案)示意圖。
[0024]圖3是噴嘴周向分布示意圖。
[0025]圖4是超燃燃燒室燃料周向噴射與摻混示意圖。
[0026]圖5是高超聲速內(nèi)乘波式進(jìn)氣道、超燃燃燒室(噴嘴流向分布方案)示意圖。
[0027]圖6是噴嘴流向分布示意圖。
[0028]圖7是超燃燃燒室燃料流向噴射與摻混示意圖。
[0029]圖8是高超聲速內(nèi)乘波式進(jìn)氣道、超燃燃燒室(噴嘴“品”字形分布方案)示意圖。
[0030]圖9是噴嘴“品”字形分布示意圖。
[0031]圖10是超燃燃燒室燃料呈“品”字形噴射與摻混示意圖。
[0032]圖中標(biāo)記為:1是表示高超聲速來流、2是高超聲速內(nèi)乘波進(jìn)氣道類V字形進(jìn)口、3是內(nèi)乘波進(jìn)氣道內(nèi)收縮段、4是內(nèi)乘波進(jìn)氣道等直隔離段、5是內(nèi)乘波進(jìn)氣道與燃燒室分界截面、6是進(jìn)氣道左右上角角區(qū)渦的生成與發(fā)展、7是位于進(jìn)氣道出口截面左右上角的角區(qū)渦、8是進(jìn)氣道內(nèi)底部低能/低速區(qū)的生成與發(fā)展、9是位于進(jìn)氣道出口截面底部的低能/低速區(qū)、10是超燃燃燒室、11是沿進(jìn)氣道左右上角角區(qū)渦周向分布的噴嘴、12是沿進(jìn)氣道底部低能/低速區(qū)周向分布的噴嘴、13是位于進(jìn)氣道左右上角的反向?qū)π菂^(qū)渦對、14是進(jìn)氣道出口截面內(nèi)的等值壓力線、15是噴嘴的噴射與摻混、16是沿進(jìn)氣道左右上角角區(qū)渦流向分布的噴嘴、17是沿進(jìn)氣道底部低能/低速區(qū)流向分布的噴嘴、18是噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向、19是噴嘴的噴射方向、20是噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角、21是“品”字形分布在進(jìn)氣道左右上角的噴嘴、22是“品”字形分布在進(jìn)氣道底部的噴嘴。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本發(fā)明以典型的三維變截面內(nèi)乘波式進(jìn)氣道為實(shí)施例,其由高超聲速內(nèi)乘波進(jìn)氣道類V字形進(jìn)口 2、內(nèi)乘波進(jìn)氣道內(nèi)收縮段3和內(nèi)乘波進(jìn)氣道等直隔離段4構(gòu)成。該超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計具體步驟如下:
[0034]1、用流體數(shù)值模擬軟件對具有類V字形進(jìn)口的三維內(nèi)乘波進(jìn)氣道進(jìn)行仿真，得到此類高超聲速進(jìn)氣道在高超聲速來流條件下的流場。根據(jù)流場特征，獲得沿內(nèi)乘波進(jìn)氣道內(nèi)收縮段兩側(cè)生成和發(fā)展的角區(qū)渦，以及在進(jìn)氣道底部前緣生成的低能/低速區(qū)。
[0035]2、截取內(nèi)乘波進(jìn)氣道與燃燒室分界截面的流場，估算角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的分布位置和覆蓋范圍，應(yīng)用計算流體后期處理軟件對進(jìn)氣道出口流場的壓力分布進(jìn)行處理，得到進(jìn)氣道出口截面內(nèi)的等值壓力線，從等值壓力線的分布區(qū)分出位于進(jìn)氣道出口截面左右上角的角區(qū)渦和位于進(jìn)氣道出口截面底部的低能/低速區(qū)，并估算各自的位置和覆蓋范圍。進(jìn)氣道左右上角的角區(qū)渦在進(jìn)氣道出口截面流場中表現(xiàn)為兩對反向?qū)π郎u對。
[0036]3、根據(jù)角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的分布位置和覆蓋范圍確定噴嘴的分布形式，包括噴嘴的個數(shù)、位置和噴射角度。具體的分布形式可以分為以下3點(diǎn):
[0037]a)噴嘴沿周向分布。針對角區(qū)渦和低能/低速區(qū)覆蓋范圍較廣的情況，進(jìn)氣道左右上角沿角區(qū)渦周向布置噴嘴，噴嘴等距分布于對旋渦對之間。進(jìn)氣道底部沿低能/低速區(qū)周向布置噴嘴，噴嘴等距分布于低能/低速區(qū)之間。噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖迹{(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度。
[0038]b)噴嘴沿流向分布。針對角區(qū)渦和低能/低速區(qū)覆蓋范圍較窄的情況，進(jìn)氣道左右上角沿角區(qū)渦流向布置噴嘴，噴嘴等距分布于角區(qū)渦的流路上。進(jìn)氣道底部沿低能/低速區(qū)流向布置噴嘴，噴嘴等距分布于低能/低速區(qū)流路上。噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖?，調(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度。
[0039]c)噴嘴呈“品”字形分布。此類分布具有普適性，進(jìn)氣道左右上角采用“品”字形布置噴嘴，先在對旋渦對之間布置一個噴嘴，然后根據(jù)渦對的發(fā)展在其下游布置兩個噴嘴。進(jìn)氣道底部也采用“品”字形布置噴嘴。噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖迹{(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度。
[0040]實(shí)施例1:
[0041]三維內(nèi)乘波式高超聲速進(jìn)氣道出口為制定長短軸比2.5的橢圓，進(jìn)口類似V形。上游進(jìn)氣道與下游燃燒室之間等面積連接，不存在幾何面積的漸變或突變過渡。進(jìn)氣道左右上角和底部分別存在明顯地角區(qū)渦特征和低能/低速區(qū)，并向下游燃燒室傳播(如圖1)。在燃燒室左右上角和底部分別沿周向均勻分布3個噴嘴(如圖2和4)。其進(jìn)氣道出口截面流場如圖3所示，燃料摻混效果明顯。
[0042]實(shí)施例2:
[0043]高超聲速三維內(nèi)乘波進(jìn)氣道出口為長短軸比2.5的橢圓，進(jìn)口形狀類似V形。上游進(jìn)氣道與下游燃燒室之間等面積連接，不存在幾何面積的漸變或突變過渡。進(jìn)氣道左右上角和底部分別存在明顯地角區(qū)渦特征和低能/低速區(qū)，并向下游燃燒室傳播(如圖1)。在燃燒室左右上角和底部，沿角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的流路上分布5個噴嘴(如圖5和7)。其進(jìn)氣道出口截面流場如圖6所示，燃料摻混效果明顯。
[0044]實(shí)施例3:
[0045]高超聲速三維內(nèi)乘波進(jìn)氣道出口為長短軸比2.5的橢圓，進(jìn)口形狀類似V形。上游進(jìn)氣道與下游燃燒室之間等面積連接，不存在幾何面積的漸變或突變過渡。進(jìn)氣道左右上角和底部分別存在明顯地角區(qū)渦特征和低能/低速區(qū)，并向下游燃燒室傳播(如圖1)。在燃燒室左右上角和底部，沿角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的流路上分別呈“品”字形分布3個噴嘴(如圖8和10)。其進(jìn)氣道出口截面流場如圖9所示，燃料摻混效果明顯。[0046]另外，本發(fā)明也適用于其他進(jìn)氣道出口形狀和超燃燃燒室形狀，例如圓形進(jìn)氣道出口和超燃燃燒室截面形狀等。上述實(shí)施例只是用于對本發(fā)明的解釋，而不能作為對本發(fā)明的限制。因凡是與本發(fā)明設(shè)計思路相同的實(shí)施方式均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟: 1)用流體數(shù)值模擬軟件對具有類V字形進(jìn)口的三維內(nèi)乘波進(jìn)氣道進(jìn)行仿真，得到高超聲速進(jìn)氣道在高超聲速來流條件下的流場，根據(jù)流場特征，獲得沿內(nèi)乘波進(jìn)氣道內(nèi)收縮段兩側(cè)生成和發(fā)展的角區(qū)渦，以及在進(jìn)氣道底部前緣生成的低能/低速區(qū)； 2)截取內(nèi)乘波進(jìn)氣道與燃燒室分界截面的流場，估算角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的分布位置和覆蓋范圍，應(yīng)用計算流體后期處理軟件對進(jìn)氣道出口流場的壓力分布進(jìn)行處理，得到進(jìn)氣道出口截面內(nèi)的等值壓力線，從等值壓力線的分布區(qū)分出位于進(jìn)氣道出口截面左右上角的角區(qū)渦和位于進(jìn)氣道出口截面底部的低能/低速區(qū)，并估算各自的位置和覆蓋范圍，進(jìn)氣道左右上角的角區(qū)渦在進(jìn)氣道出口截面流場中表現(xiàn)為兩對反向?qū)π郎u對； 3)根據(jù)角區(qū)渦和低能/低速區(qū)的分布位置和覆蓋范圍確定噴嘴的分布形式，包括噴嘴的個數(shù)、位置和噴射角度；所述分布形式包括: a)噴嘴沿周向分布:針對角區(qū)渦和低能/低速區(qū)覆蓋范圍較廣的情況，進(jìn)氣道左右上角沿角區(qū)渦周向布置噴嘴，噴嘴等距分布于對旋渦對之間；進(jìn)氣道底部沿低能/低速區(qū)周向布置噴嘴，噴嘴等距分布于低能/低速區(qū)之間；噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁 面的法線方向?yàn)閰⒖迹{(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度； b)噴嘴沿流向分布:針對角區(qū)渦和低能/低速區(qū)覆蓋范圍較窄的情況，進(jìn)氣道左右上角沿角區(qū)渦流向布置噴嘴，噴嘴等距分布于角區(qū)渦的流路上；進(jìn)氣道底部沿低能/低速區(qū)流向布置噴嘴，噴嘴等距分布于低能/低速區(qū)流路上；噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖?，調(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度； c)噴嘴呈“品”字形分布:此類分布具有普適性，進(jìn)氣道左右上角采用“品”字形布置噴嘴，先在對旋渦對之間布置一個噴嘴，然后根據(jù)渦對的發(fā)展在其下游布置兩個噴嘴，進(jìn)氣道底部也采用“品”字形布置噴嘴，噴嘴的安裝角度根據(jù)流場的發(fā)展調(diào)節(jié):以噴嘴布置點(diǎn)在燃燒室壁面的法線方向?yàn)閰⒖?，調(diào)節(jié)噴嘴的噴射方向，所得的噴嘴噴射方向與燃燒室壁面法線的夾角即為噴嘴的安裝角度。
2.如權(quán)利要求1所述超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于在步驟I)中，所述進(jìn)氣道是一種設(shè)計馬赫數(shù)大于5的高超聲速三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道，進(jìn)氣道的進(jìn)口形狀為類V字形，出口截面形狀是橢圓形或圓形；此類進(jìn)氣道在出口附近存在明顯的低能/低速區(qū)和角區(qū)渦結(jié)構(gòu)的特征。
3.如權(quán)利要求1所述超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于在步驟3)中，所述噴嘴的位置和分布形式不單一，根據(jù)低能/低速區(qū)和角區(qū)渦的大小，選擇噴嘴個數(shù)并在近渦壁面沿周向分布，除了靠近噴嘴上下游形成的流動分離有助于燃料的摻混和點(diǎn)火外，噴嘴的周向分布又可以充分利用進(jìn)氣道出口角區(qū)渦的橫向剪切力，達(dá)到燃料快速摻混的目的。
4.如權(quán)利要求1所述超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于在步驟3)中，所述噴嘴設(shè)至少2個，至少2個噴嘴沿流向分布在近渦壁面；超燃沖壓進(jìn)氣道出口的低能/低速區(qū)和角區(qū)渦必然會向下游發(fā)展，如果只在燃燒室上游布置一個噴嘴，燃料摻混的效率未必能達(dá)到設(shè)計目的；沿流向分布多個噴嘴，既可以利用沖壓進(jìn)氣道出口的低能/低速區(qū)和角區(qū)渦，又可以使每一個下游噴嘴都能充分利用上游噴嘴形成的有效渦結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)燃料摻混與穿透深度；上游進(jìn)氣道與下游燃燒室之間等面積連接，不存在幾何面積的漸變或突變過渡。
5.如權(quán)利要求1所述超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于在步驟3)中，所述噴射角度不單一，`采用垂直噴射、傾斜順流向噴射或傾斜逆流向噴射。
【文檔編號】G06F17/50GK103605876SQ201310673530
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】尤延鋮, 潘成劍, 李怡慶, 安平, 陳榮錢 申請人:廈門大學(xué)