污染组分对超燃冲压发动机工作特性影响

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30027

综述

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污染组分对超燃冲压发动机工作特性影响

时文, 乐嘉陵, 田野()

中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所，绵阳 621000

收稿日期:2023-12-27 修回日期:2024-02-01 接受日期:2024-03-07 出版日期:2024-03-21 发布日期:2024-03-19
通讯作者: 田野 E-mail:tianye@cardc.cn
基金资助:
国家级项目

Vitiation effects on scramjet operational characteristics

Wen SHI, Jialing LE, Ye TIAN()

Aerospace Technology Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2023-12-27 Revised:2024-02-01 Accepted:2024-03-07 Online:2024-03-21 Published:2024-03-19
Contact: Ye TIAN E-mail:tianye@cardc.cn
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National Level Project

摘要/Abstract

摘要：

超燃冲压发动机内流动及燃烧特性得到了持续和广泛的重视及研究，相关试验研究工作大多依赖于燃烧加热风洞地面试验设备，酒精、氢气、煤油等燃料的燃烧可加热试验气体并达到设计点，通过补氧的方式保证氧气的摩尔分数，燃料的燃烧必然会引入多种污染组分。燃烧加热器内污染组分的存在使得地面试验结果偏离真实飞行条件所得结果，污染效应则已成为提高地面试验结果外推准确性所亟待研究的问题。针对污染组分对超燃冲压发动机点火特性、性能、燃烧模态转换的影响、污染空气来流参数匹配方案及污染效应修正这五个方面进行了系统的综述，梳理了污染效应的研究进展。研究发现：大多数情况下，对于甲烷、乙烯、煤油等燃料，污染组分H₂O会减小点火延迟时间、促进燃料点火，CO₂会抑制燃烧，自由基及中间产物会明显促进点火，CO₂污染组分对燃料燃烧的抑制效果比相同摩尔分数的H₂O更显著且抑制影响表现出非线性的影响趋势。目前已有参数匹配方案均难以在宽速域及宽当量比范围内削弱污染效应即地面试验与真实飞行试验所得结果的偏差，污染效应修正技术实现尚有困难。

关键词: 超燃冲压, 污染组分, 点火特性, 燃烧模态转换, 参数匹配方案, 污染效应修正

Abstract:

Characteristics of internal flow and combustion in the scramjet engine have been constantly and extensively investigated， with experimental research strongly reliant on the combustion heated facilities. The combustion of fuels such as alcohol， hydrogen， and kerosene is able to heat the tested gas to the designed conditions， and the mole fraction of oxygen is ensured by the oxygen supplementation. Meanwhile， the combustion of fuels inevitably imports multiple vitiated air contaminants， the existence of which in the combustion heated facilities deviates the ground-test results from those obtained in the actual atmospheric flight conditions. Vitiation effects thus become an urgent problem to solve for improving the accuracy of ground-test result extrapolation. This paper comprehensively reviews five typical aspects， including the vitiation effects on ignition characteristics， scramjet performance， combustion mode transition， typical flow-parameter-matching scheme， and vitiation effect correction. The research progress of vitiation effects has also been introduced.The results show that in most cases， the vitiation component H₂O will reduce the ignition delay time and promote fuel ignition， CO₂ will inhibit combustion and free radicals and intermediates will significantly promote ignition for methane， ethylene， kerosene and other fuels. The inhibition effect of CO₂ on combustion is more significant than that of H₂O with the same mole fraction， and the inhibition effect shows a nonlinear trend. At present， the parameter matching schemes commonly used are difficult to reduce the vitiation effects， that is， the deviation of the results obtained from the ground test and the real flight test in the wide range of velocity and equivalent ratio. The correction of vitiation effects is still difficult to achieve.

Key words: scramjet, vitiation component, ignition characteristics, combustion mode transition, flow-parameter-matching scheme, vitiation effect correction

中图分类号:

V475

时文, 乐嘉陵, 田野. 污染组分对超燃冲压发动机工作特性影响[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 30027.

Wen SHI, Jialing LE, Ye TIAN. Vitiation effects on scramjet operational characteristics[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(19): 30027.

图/表 20

表 1

表 2

表 3

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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

组分	摩尔分数/%
组分	真实飞行	电弧风洞	H₂燃烧风洞	CH₄燃烧风洞	C₃H₈燃烧风洞	CH₃N₂H₃+N₂O₄燃烧风洞
H₂O	≪1	0.1	5~33	3~21	2~15	3~21
CO₂	0.03	0.03	0.03	1.4~10	1.7~11	1.1~7
CO	0	0	0	≤0.2	≤0.3	≤0.1
NO	<0.01	0.2~3.5	≤1.4	≤1.6	≤1.8	≤1.5
O₃	<0.001

Ma_∞	T_t0/K	H_t0/MJ	质量组分百分比			相对分子质量	φ=1空燃比
Ma_∞	T_t0/K	H_t0/MJ	H₂O	CO₂	N₂	相对分子质量	φ=1空燃比
4	850	0.61	0.06	0.24	0.70	27.92	14.13
5	1 150	1.00	0.10	0.25	0.61	27.36	13.87
6	1 495	1.52	0.14	0.25	0.61	26.74	13.53
7	1 850	2.13	0.20	0.26	0.54	26.00	13.16

Ma_∞	T_t0/K	H_t0/MJ	质量组分百分比			相对分子质量	φ=1空燃比
Ma_∞	T_t0/K	H_t0/MJ	H₂O	CO₂	N₂	相对分子质量	φ=1空燃比
4	877	0.65	0.06	0.24	0.70	27.88	14.11
5	1 250	1.12	0.10	0.25	0.65	27.28	13.80
6	1 650	1.77	0.17	0.26	0.58	26.40	13.28
7	2 130	2.66	0.25	0.26	0.49	25.38	12.84

Ma_∞	T_t0/K	H_t0/MJ	质量组分百分比				相对分子质量	φ=1空燃比
Ma_∞	T_t0/K	H_t0/MJ	H₂O	CO₂	O₂	N₂	相对分子质量	φ=1空燃比
4	860	0.61	0.04	0.06	0.23	0.67	28.88	14.47
5	1 170	1.00	0.05	0.09	0.23	0.62	28.90	14.63
6	1 550	1.52	0.08	0.13	0.23	0.56	28.92	14.64
7	1 955	2.13	0.11	0.17	0.23	0.49	28.96	14.66

污染组分	理论摩尔分数%	试验摩尔分数%	模拟条件
H₂O	7.5	7.6	Ma_∞ =4氢气、甲烷、酒精燃烧加热器
	18	16.6	Ma_∞ =6氢气燃烧加热器，Ma_∞ =7甲烷、酒精燃烧加热器
	26	25.2	Ma_∞ =7氢气燃烧加热器
CO₂	3.0	3.4	Ma_∞ =4甲烷、酒精燃烧加热器
CO₂	7.5	7.4	Ma_∞ =5甲烷、酒精燃烧加热器

污染组分对超燃冲压发动机工作特性影响

Vitiation effects on scramjet operational characteristics

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图/表 20

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次级产物	摩尔分数	主要组分	摩尔分数
CH₄	9.19×10^-19	H₂	0.000 161 8
CH₃	7.22×10^-18	H	0.000 200 3
CH₂O	8.68×10^-12	CO	0.005 030 2
HCN	8.93×10^-11	OH	0.006 121 2
N	1.06×10^-10	O	0.007 259 3
HCO	7.47×10^-9	CO₂	0.071 205 3
NO₂	5.16×10^-8	H₂O	0.112 000 0
NO	8.39×10^-7	O₂	0.210 009
HO₂	4.21×10^-6	N₂	0.588 009

当量比	燃烧室入口参数				喷注参数
当量比	污染组分	总压/kPa	总温/K	马赫数	总压/kPa	总温/K	马赫数
0.73	纯空气	810	840	2	5 940	300	1
	5.3%H₂O	825	839	2	5 940	300	1
	8.3% H₂O	821	850	2	5 940	300	1
	5.21%H₂O+4.66%CO₂	811	845	2	5 650	300	1
0.53	纯空气	811	830	2	4 260	300	1
	4.36%H₂O	822	840	2	4 050	300	1
	4.6%H₂O+3.75%CO₂	827	840	2	4 115	300	1
1.00	纯空气	2 040	1 665	2.33	5 600	330	1
1.00	11.67%H₂O+7.77%CO₂	2 040	1 665	2.33	5 580	330	1

隔离段入口马赫数	总压/kPa	总温/K	总温相同		总焓相同		壅塞位置	工况
隔离段入口马赫数	总压/kPa	总温/K	当量比（纯空气）	当量比（污染来流）	当量比（纯空气）	总温/K	壅塞位置	工况
1.85	450	876	0.08~0.09	0.08~0.09	0.07~0.08	862	等截面处	a
2	330	1 200	0.18~0.19	0.20~0.21	0.18~0.19	1 161
2	830	1 169	0.18~0.19	0.19~0.20	0.18~0.19	1 134		b
2.2	813	1 257	0.26~0.27	0.27~0.28	0.24~0.25	1 212	扩张段	c
2.5	1 000	1 200	0.29~0.30	0.30~0.31	0.28~0.29	1 161	扩张段	d

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