一种提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法

本发明涉及的是超燃冲压发动机燃烧室，具体涉及一种提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法。

背景技术：

1、通常用于客机和战斗机的涡扇及涡喷发动机，采用旋转机械加压的方式将气流减速到亚声速，以实现燃烧和产生推力。而在高超声速范围下，气流减速到亚声速会导致无法承受的能量损失和巨大的热负荷，而如果将高超声速气流减速至超声速，再进入燃烧室组织燃烧，这些弊端就可以化解，由此产生了超燃冲压发动机。

2、在超燃冲压发动机中，气流通过集成在前体中的进气系统进行动态压缩，在经历隔离段“激波串”减速增压作用后，气流以超声速进入凹腔燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧后的气流仍然保持超声速状态，最后由尾喷管膨胀排出，产生所需的推力。双模态超燃冲压发动机不需要传统的旋转机械部件，几何结构十分简单，减轻了发动机的整机重量，有利于提升推重比；其次，相较于传统的火箭发动机，超燃冲压发动机不需要携带氧化剂，使得飞行器的有效载荷大大增加；除此之外，比冲也是衡量发动机性能的关键指标，指的是发动机的推力与单位时间内燃料流量的比值，比冲越大，说明发动机性能越优异，超燃冲压发动机在高超声速飞行状态下具有显著的比冲优势，因此超燃冲压发动机在高超声速推进领域具有广阔的应用前景。

3、超燃冲压发动机最大的技术难点在于超声速燃烧过程的高效可靠燃烧，因为在超声速流动条件下，燃料在燃烧室的停留时间通常是毫秒量级。燃料通过一个单独的喷嘴注入燃烧室，需要在分子水平上与气流中的氧气混合，才能发生燃烧化学反应。因此，必须留有足够的时间使剪切层中的大规模湍流结构发展成更小的涡流，从而促进燃料与空气之间的微观混合。而在超声速下，由于可压缩效应减慢了剪切层混合速率，因此使得超声速下的燃烧更加困难。

4、在传统的支板燃烧室中，通常在燃烧室中央或者固体壁面上布置支板，燃料通过支板上的入射孔喷入燃烧室内，与空气来流混合燃烧。这种燃料入射方式的优势在于可以灵活地设计多种形式的支板来增强燃料与空气的混合和燃烧。但是，双模态超燃冲压发动机内毫秒量级的驻留时间，化学反应时间尺度低于燃料与空气混合扩散的时间尺度，加上燃料与空气的非预混燃烧模式，很容易导致燃料与空气混合程度不足，燃烧效率偏低，发动机推力下降。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法，能有效提升超燃冲压发动机燃烧室中的燃烧效率以及燃烧室推力。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、一种提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法，其特征在于：在支板燃料入射通道设置旋流装置，引导气流形成旋转涡流，所述旋流装置由外部壳体、内部圆柱体以及旋流叶片组成，旋流叶片安装在壳体与圆柱体内部；通过调整旋流叶片的轴向角度改变入射燃料的旋流强度，提高燃料掺混程度及燃烧效率。

4、本发明中，旋流叶片安装在壳体与圆柱体内部，叶片与主轴的夹角θ即为气流偏转角度，通过改变叶片安装角度可以实现气流不同的旋流强度，从而达到提高燃料掺混程度及燃烧效率的目的。

5、旋流数s用于表征旋流的强度，定义为角动量的轴向通量与轴向动量通量和特征半径乘积的比值：

6、

7、其中，ρ表示流体密度，u表示旋流任一截面上的轴向速度，w表示旋流任一截面上的切向速度，r1为圆柱壳体内径，r2为圆柱壳体外径。

8、对于弦长和安装角固定的薄叶片，假设横截面上轴向速度分布均匀，切向速度与轴向速度分量存在以下的关系：

9、w＝utanθ (8)

10、对式(7)积分可得s与θ的关系式：

11、

12、说明在固定的几何条件下，旋流数s与叶片安装角θ相关。

13、旋流叶片的参数如下：

14、旋流叶片高度：h＝0.3～0.4r2                           (10)

15、旋流叶片角度：θ＝60°                                (11)

16、旋流叶片个数：n＝4～6                               (12)

17、旋流叶片高度以及安装角度的设置在使得气流产生旋转效果的同时，总压损失在可承受的限度范围内。

18、同时，值得注意的是，超燃冲压发动机燃料入口速度较高，如果旋流叶片过多会导致总压损失升高，射流穿透深度降低，反而不利于燃料与空气的掺混，因此基于此考虑，叶片数量应适中，叶片个数不能超过6。

19、本发明的有益效果是：

20、通过在支板内燃料入口通道加装旋流叶片的方式实现不同程度的旋流效果，高速气流在旋流装置的作用下降低了轴向速度，切向速度增加，燃料在燃烧室内的驻留时间延长，既有利于燃料点火，而旋转涡流增强了燃料湍流脉动，又有利于燃料与空气的混合，促进了燃料射流在空间中的化学反应，增强燃烧鲁棒性的同时增大了燃烧效率，提升了发动机综合性能。

21、本发明中的旋流叶片可重复安装拆卸，并改变安装角度实现不同程度的旋流强度，在产生足够强度旋流效果的同时尽可能带来较少的阻力和总压损失。

技术特征：

1.一种提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法，其特征在于：在支板燃料入射通道设置旋流装置，引导气流形成旋转涡流，所述旋流装置由外部壳体、内部圆柱体以及旋流叶片组成，旋流叶片安装在壳体与圆柱体内部；通过调整旋流叶片的轴向角度改变入射燃料的旋流强度，提高燃料掺混程度及燃烧效率。

2.根据权利要求1所述的提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法，其特征在于：旋流装置包括外部壳体、内部圆柱体以及旋流叶片，其中，一组旋流叶片安装在进气通道内，旋流叶片高度取值范围在0.3～0.4r2之间，r2表示旋流器的外径。

3.根据权利要求2所述的提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法，其特征在于：旋流数s用于表征旋流叶片产生的旋流的强度，定义为角动量的轴向通量与轴向动量通量和特征半径乘积的比值：

4.根据权利要求2所述的提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法，其特征在于：进气通道内安装若干旋流叶片，引导气流形成旋转涡流，使燃料和空气更好地掺混，叶片的参数如下：

技术总结本发明公开了一种提高双模态超燃冲压发动机燃料掺混及燃烧效率的方法，通过在支板燃料入射通道前安装旋流叶片实现不同程度的旋流效果，高速气流在旋流装置的作用下降低了轴向速度，切向速度增加，燃料在燃烧室内的驻留时间延长，既有利于燃料点火，又引导气流形成旋转涡流，使燃料和空气更好地掺混，提升了燃烧效率。此外，本发明中的旋流叶片可重复安装拆卸，并改变安装角度实现不同程度的旋流强度，在产生足够强度旋流效果的同时尽可能带来较少的阻力和总压损失。技术研发人员：韩省思,谢鹏飞,陈涛,吴文昌受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18