燃燒加熱污染組分對高超氣動-推進性能影響研究.pdf

1、在吸氣式高超聲速飛行器一體化性能地面試驗中，需要對試驗氣體進行加熱，以獲得與飛行條件相匹配的高焓來流。得益于其低廉的運行成本、較強的可操作性，特別是模擬真實飛行高焓來流的能力，燃燒加熱風洞滿足了當前大尺度地面試驗的需要，成為了這一研究領(lǐng)域的主力設(shè)備之一。但其燃燒加熱方式會不可避免地在試驗氣體中附加水蒸氣(H2O)、二氧化碳(CO2)等燃燒產(chǎn)物，從而使試驗氣體組成區(qū)別于真實空氣，即形成所謂“污染”。污染組分將造成風洞試驗氣體物理化學屬性與

2、真實空氣存在一定差異，從而給地面試驗結(jié)果向真實飛行狀態(tài)的外推帶來不確定性，同時地面試驗也難以完全模擬真實飛行狀態(tài)下的所有來流參數(shù)。目前對污染效應的研究主要集中在其對化學反應機理和發(fā)動機燃燒室工作性能的影響上，而對由于熱力學特性改變帶來的氣動特性改變研究較少。本文通過理論分析、數(shù)值模擬、試驗測量等手段，考察了燃燒加熱風洞污染組分對高超聲速氣動性能的影響及其內(nèi)在機理。在此基礎(chǔ)上，采用簡單構(gòu)型比擬高超聲速飛行器不同局部繞流特征，考察其在不同氣

3、流參數(shù)匹配方式中的氣動壓縮特性，提出了一種對準確獲得飛行器氣動特性較有利的匹配方式。為了評估與分析燃燒加熱風洞中推進性能試驗結(jié)果與純凈空氣流動中的差異，對典型參數(shù)匹配方式中發(fā)動機性能進行了考察，并據(jù)此提出了一種可能提高發(fā)動機推進性能地面試驗結(jié)果外推可靠性的天地換算方案。
　　首先，本文考察了氣動特性試驗中的污染效應。通過對典型構(gòu)型流動的數(shù)值模擬，闡述了污染組分對粘性流動的影響。結(jié)果顯示，污染組分對高超聲速流動動量邊界層和模型摩阻系

4、數(shù)幾乎沒有影響，對溫度邊界層和壁面熱流的影響也較弱。因此，之后將研究重點放在了污染組分對流動熱力學參數(shù)的影響上。理論分析、數(shù)值模擬與風洞試驗均表明，對于噴管流動而言，污染組分造成了同一設(shè)備試驗氣流馬赫數(shù)相對純凈空氣流動偏低，溫度偏高;對模型氣動壓縮特性而言，相同靜溫、靜壓、馬赫數(shù)來流條件中，污染組分造成了壓縮偏弱，波后溫度、壓力均偏低，模型所受氣動力系數(shù)偏小。作為污染效應在氣動特性模擬中的綜合體現(xiàn)，考察了其對高超聲速進氣道起動與工作性能

5、的影響。對軸對稱進氣道流動的數(shù)值模擬表明，污染組分提高了其起動能力，對遠離起動/不起動臨界時的工作性能影響較小;因此，當試驗狀態(tài)接近進氣道起動極限時，燃燒加熱風洞中進氣道性能試驗結(jié)果的可靠性需審慎考察。對污染效應機理的考察顯示，污染空氣熱容相對純凈空氣偏高、比熱比偏小是引起燃燒風洞中氣動特性測試結(jié)果相對真實飛行狀態(tài)有所偏差的主要原因。
　　其次，在充分理解污染組分對氣動特性的影響及其機理的基礎(chǔ)上，進行了通過調(diào)整自由流參數(shù)匹配方式來

6、提高氣動特性測試結(jié)果可靠性的嘗試。為此，發(fā)展了一套基于簡單壓縮構(gòu)型的快速評估匹配方式的理論分析方法。對不同匹配方式中斜激波、等熵壓縮等簡單構(gòu)型氣動特性的比較與分析表明，對于激波壓縮與較弱的等熵壓縮而言，在來流馬赫數(shù)匹配或變化不大（對應來流速度與總焓或靜溫同時匹配的情況）的條件下，模型無量綱氣動特性參數(shù)偏差基本在2％以下，相對而言是可接受的。綜合考慮波后溫度、焓值、壓力等參數(shù)，h0PM與TPM匹配方式相對更合適。但對于等熵壓縮而言，隨著壓

7、縮強度的提高，污染效應逐漸顯現(xiàn)，污染空氣中模型無量綱氣動特性與純凈空氣的偏差逐漸增大，當波后溫度達到內(nèi)流道水平時，波后壓力系數(shù)的偏低最大達到了15％左右。為了降低這一偏差，考慮放松馬赫數(shù)匹配的限制，轉(zhuǎn)而同時匹配總壓與動壓，略微降低污染空氣中的來流馬赫數(shù)，從而在一定程度上抵消污染空氣比熱比偏小的影響。結(jié)果表明，無論對于斜激波還是等熵壓縮來說，這種匹配方式都有利于更好地獲得大壓縮量下模型的無量綱氣動特性。綜合考慮波后溫度、焓值、壓力等參數(shù)，

8、提出了一種能夠兼顧氣動特性和發(fā)動機入口參數(shù)模擬的h0P0Q匹配方式。
　　最后，采用準一維帶化學反應數(shù)值模擬對比分析了總焓、動壓、馬赫數(shù)(h0QM)和靜溫、靜壓、馬赫數(shù)(TPM)兩種典型燃燒加熱風洞氣流參數(shù)匹配方式中的發(fā)動機推進性能。結(jié)果表明，對于采用氫燃料燃燒加熱試驗氣體的風洞而言，若燃料當量比較小，未出現(xiàn)熱壅塞或激波結(jié)構(gòu)，采用TPM匹配方式能夠獲得與純凈空氣吻合較好的燃燒室壓力分布;而h0QM匹配方式則能更好地模擬大當量比下的

9、熱壅塞效果與激波結(jié)構(gòu)。若風洞試驗氣體采用碳氫燃料燃燒加熱，則兩種匹配方式獲得的來流參數(shù)與發(fā)動機性能的模擬效果基本相當。燃料當量比較低時，兩種匹配方式均能獲得與純凈空氣接近的燃燒室壓力分布;當量比較大時，它們均不能很好地模擬純凈空氣中的熱壅塞效果與燃燒室壓力分布。從模擬發(fā)動機推力的角度來看，氫燃料燃燒加熱風洞中采用h0QM匹配方式獲得的相同當量比下絕對推力相對純凈空氣明顯偏高，而TPM匹配方式則與純凈空氣較接近。但兩種匹配方式均可通過調(diào)整

10、燃油量來更好地模擬發(fā)動機推力。分析表明，不同匹配方式中燃燒反應釋熱與來流總焓的比值（燃燒釋熱比）的差異是引起發(fā)動機推進性能不同的主要原因。為了將不同燃燒加熱方式、不同匹配方式下的發(fā)動機推力統(tǒng)一起來，采用燃燒釋熱比對燃燒引起的推力收益進行了單位化。結(jié)果顯示，采用這種單位化方式時，不同污染空氣和匹配方式的組合中燃燒產(chǎn)生的單位推力收益均與純凈空氣結(jié)果基本在同一水平。若基于單位燃燒釋熱比推力收益進行天地換算，則可能提高地面推進性能試驗結(jié)果外推的