超燃冲压发动机中不同燃烧模态下乙烯燃烧释热的敏感因素

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30944

流体力学与飞行力学

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超燃冲压发动机中不同燃烧模态下乙烯燃烧释热的敏感因素

李凡, 刘铭江, 孙明波(), 赵国焱, 马光伟, 赵晨翔

国防科技大学空天科学学院高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073

收稿日期:2024-07-15 修回日期:2024-07-29 接受日期:2024-08-20 出版日期:2024-08-27 发布日期:2024-08-26
通讯作者: 孙明波 E-mail:sunmingbo@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11925207);湖南省自然科学基金(2023JJ30624);湖南省研究生创新基金(CX20220028)

Sensitive factors of ethylene combustion heat release under different combustion modes in scramjet engine

Fan LI, Mingjiang LIU, Mingbo SUN(), Guoyan ZHAO, Guangwei MA, Chenxiang ZHAO

Laboratory of Science and Technology on Scramjet，College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

Received:2024-07-15 Revised:2024-07-29 Accepted:2024-08-20 Online:2024-08-27 Published:2024-08-26
Contact: Mingbo SUN E-mail:sunmingbo@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11925207);Natural Science Foundation of Hunan Province(2023JJ30624);Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate(CX20220028)

摘要/Abstract

摘要：

在马赫数2.52、总压1.34 MPa和总温1 650 K的超声速来流条件下，对超燃冲压发动机燃烧室中乙烯燃烧释热的敏感因素开展实验研究。系统分析和对比了发动机中隔离段长度、喷注距离、凹腔深度、喉部大小等关键构型参数对乙烯燃烧释热的影响，结果表明乙烯燃烧释热对构型参数的敏感度与燃烧模态紧密相关。当燃烧处于纯超燃模态时，燃烧释热对构型参数的变化不敏感，而当燃烧处于双模态超燃（超燃模态）时则相反，之后随着当量比增加，燃烧逐渐过渡为双模态亚燃（亚燃模态）时，燃烧释热对构型参数变化的敏感度逐渐下降。总的来说，不同构型参数对燃烧释热的影响程度从高到低依次是喉部大小>隔离段长度>喷注距离>凹腔深度。

关键词: 超燃冲压发动机, 凹腔, 超声速流动, 燃烧释热, 燃烧模态

Abstract:

An experimental study is conducted to investigate the sensitive factors affecting ethylene combustion heat release in a scramjet combustion under supersonic flow conditions with of Mach number 2.52， total pressure 1.34 MPa and total temperature 1 650 K. The effects of key configuration parameters such as the isolator length， injection distance， cavity depth， and throat size on the ethylene combustion heat release are systematically analyzed and compared. The results show that the sensitivity of ethylene combustion heat release to configuration parameters is closely related to the combustion mode. When the combustion is in the completely scramjet mode， the combustion heat release is insensitive to changes in configuration parameters， while the opposite is true when the combustion is in the dual-mode scramjet operation （scramjet mode）. Later， as the equivalence ratio increases， the combustion gradually transitions to the dual-mode ramjet operation （ramjet mode）， and the sensitivity of the heat release to changes in configuration parameters gradually decreases. Overall， the order of the influence of different configuration parameters on combustion heat release from high to low is as follows： throat size > isolator length > injection distance > cavity depth.

Key words: scramjet, cavity, supersonic flow, combustion heat release, combustion mode

中图分类号:

V235.21

李凡, 刘铭江, 孙明波, 赵国焱, 马光伟, 赵晨翔. 超燃冲压发动机中不同燃烧模态下乙烯燃烧释热的敏感因素[J]. 航空学报, 2025, 46(4): 130944.

Fan LI, Mingjiang LIU, Mingbo SUN, Guoyan ZHAO, Guangwei MA, Chenxiang ZHAO. Sensitive factors of ethylene combustion heat release under different combustion modes in scramjet engine[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(4): 130944.

图/表 19

图 1

表 1

图 2

表 2

表 3

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图 14

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参考文献 29

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
马赫数Ma	2.52
总温 $T 0$ /K	1 650
总压 $P 0$ /MPa	1.34
O₂质量分数 $Y O 2$ /%	23.38
H₂O质量分数 $Y H 2 O$ /%	6.22
CO₂质量分数 $Y C O 2$ /%	10.16
N₂质量分数 $Y N 2$ /%	60.24

参数	数值	参数	数值
L₁	560	L_c	70
L₂	140	D_c	21
L₃	490	H_c	21
W	50	d₁	42
H₁	35	d₂	21
H₂	42	d₃	14

当量比	喷注总压/MPa	乙烯流量/（g·s^-1）	喷注模块
0	0	0
0.13	1.30	6.1	J1/J2
0.15	1.63	6.8	J1/J2
0.19	2.35	8.9	J1/J2
0.27	3.63	12.6	J1/J2
0.35	2.24	16.3	J2、J3
0.41	2.72	19.1	J2、J3

构型参数	参数变化	实验当量比
隔离段长度	L₁=560 mm→280 mm	0.13、0.19、0.27
喷注距离	d₂=21 mm→d₁=42 mm	0.13、0.19、0.27
凹腔深度	D_c=21 mm→10 mm	0.13、0.19、0.27、0.35、0.41
喉部大小	H_c=21 mm→16.8 mm，对应H=35 mm→39.2 mm	0.13、0.19、0.27、0.35、0.41

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超燃冲压发动机中不同燃烧模态下乙烯燃烧释热的敏感因素

Sensitive factors of ethylene combustion heat release under different combustion modes in scramjet engine

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