超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置及燃料低壓噴注混合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料噴注技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置。此外，本發(fā)明還涉及一種包括上述超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置的超聲速流場(chǎng)中燃料低壓噴注混合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是指燃料在超聲速氣流中燃燒的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其中燃料的噴注、混合是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。射流的穿透高度及其下游的混合效率是評(píng)價(jià)燃料噴注方案的重要指標(biāo)，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火及燃燒效率，并對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程和整體性能也有著深刻的影響。特別是大尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，為確保燃料與主流的充分接觸、混合，需提高燃料的穿透深度。
[0003]目前，提高燃料穿透深度的途徑主要有兩種，一種是在主流中設(shè)置支板、噴油桿等附加裝置，該方式會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)主流中引入很強(qiáng)的激波結(jié)構(gòu)和總壓損失，嚴(yán)重制約發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升，且要保證這些附加裝置在燃燒室內(nèi)部高溫高壓條件下正常工作，還需對(duì)這些附加裝置進(jìn)行冷卻，使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，可靠性降低。另一種是提高壁面橫向射流的噴注壓力，該方式直接從壁面向高速主流噴射燃料無(wú)需另行設(shè)置附件裝置，但是對(duì)壓力供應(yīng)系統(tǒng)要求較高，且橫向射流與高速主流之間存在強(qiáng)烈的相互作用導(dǎo)致射流很快破裂，穿透深度非常有限，混合效果差，也無(wú)法滿足大尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置及燃料低壓噴注混合方法，以解決現(xiàn)有燃料噴注方式噴注壓力要求高、能量損失大、穿透深度低、混合效果差等技術(shù)問(wèn)題。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置，包括:用于向超聲速流道內(nèi)的高速主流注入氣態(tài)燃料的燃料供應(yīng)系統(tǒng)、開(kāi)設(shè)于超聲速流道壁面上用于由燃料供應(yīng)系統(tǒng)向超聲速流道內(nèi)注入氣態(tài)燃料的微型切向噴孔以及設(shè)于微型切向噴孔下游用于形成裹挾有氣態(tài)燃料的逆旋流向渦對(duì)的渦流發(fā)生器；燃料供應(yīng)系統(tǒng)提供的氣態(tài)燃料通過(guò)微型切向噴孔低速注入超聲速流道中的高速來(lái)流近壁面邊界層底部并在邊界層上層的高速氣流帶動(dòng)下流向渦流發(fā)生器，借助于邊界層上層的部分高速氣流和處于邊界層底層的氣態(tài)燃料在渦流發(fā)生器兩側(cè)邊緣的脫落過(guò)程形成兩束流向渦，流向渦在渦流發(fā)生器尾緣合并形成逆旋流向渦對(duì)；逆旋流向渦對(duì)借助自身渦結(jié)構(gòu)的自誘導(dǎo)機(jī)制而逐漸升離超聲速流道壁面進(jìn)入高速主流并通過(guò)逆旋流向渦對(duì)在高速主流中受到的不穩(wěn)定因素控制逆旋流向渦對(duì)在高速主流中發(fā)生破裂，以使逆旋流向渦對(duì)中裹挾的氣態(tài)燃料與高速主流快速混合。
[0006]進(jìn)一步地，燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括用于提供壓力大小高于超聲速流道內(nèi)高速主流靜壓且低于高速主流總壓且壓力分布均勻的氣態(tài)燃料的燃料駐室，燃料駐室設(shè)于超聲速流道壁面內(nèi)并與微型切向噴孔連通。
[0007]進(jìn)一步地，微型切向噴孔設(shè)有多個(gè)，多個(gè)微型切向噴孔排布成多個(gè)縱列和多個(gè)橫列，呈陣列式排列。
[0008]進(jìn)一步地，微型切向噴孔的輸出口偏向高速主流流動(dòng)方向傾斜。
[0009]進(jìn)一步地，渦流發(fā)生器呈斜坡式三角翼構(gòu)型。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種超聲速流場(chǎng)中燃料低壓噴注混合方法，其包括上述超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置，在超聲速流道壁面的微型切向噴孔注入氣態(tài)燃料，氣態(tài)燃料通過(guò)微型切向噴孔注入高速來(lái)流近壁邊界層底部；邊界層上層的部分高速氣流與氣態(tài)燃料在渦流發(fā)生器邊緣脫落生成逆旋流向渦對(duì)，并裹挾氣態(tài)燃料；借助逆旋流向渦對(duì)的自誘導(dǎo)速度場(chǎng)輸運(yùn)氣態(tài)燃料至高速主流；通過(guò)逆旋流向渦對(duì)在高速主流中受到的不穩(wěn)定因素控制逆旋流向渦對(duì)在高速主流中破裂，從而完成氣態(tài)燃料與高速主流的混合。
[0011]進(jìn)一步地，邊界層上層的部分高速氣流與氣態(tài)燃料在渦流發(fā)生器邊緣脫落生成逆旋流向渦對(duì)，并裹挾氣態(tài)燃料的步驟，具體包括:邊界層上層的部分高速氣流在渦流發(fā)生器側(cè)邊緣脫落并卷起形成流向渦，并裹挾一同從渦流發(fā)生器側(cè)邊緣脫落的氣態(tài)燃料于流向渦渦核附近；形成于渦流發(fā)生器兩側(cè)的裹挾有氣態(tài)燃料的流向渦隨后在渦流發(fā)生器尾緣合并形成逆旋流向渦對(duì)。
[0012]進(jìn)一步地，借助逆旋流向渦對(duì)自身的自誘導(dǎo)速度場(chǎng)輸運(yùn)氣態(tài)燃料至高速主流的步驟，具體包括:逆旋流向渦對(duì)在其自身渦結(jié)構(gòu)的自誘導(dǎo)機(jī)制作用下逐漸升離壁面，并將其裹挾的氣態(tài)燃料一同帶離超聲速流道壁面，并輸運(yùn)氣態(tài)燃料至高速主流；逆旋流向渦對(duì)的渦自誘導(dǎo)機(jī)制所依賴的能量來(lái)源于來(lái)流邊界層上層的高速氣流自身的動(dòng)能。
[0013]進(jìn)一步地，通過(guò)逆旋流向渦對(duì)在高速主流中受到的不穩(wěn)定因素控制逆旋流向渦對(duì)在高速主流中破裂，完成氣態(tài)燃料與高速主流混合的步驟，具體包括:根據(jù)逆旋流向渦對(duì)在主流中受到的不穩(wěn)定因素預(yù)估逆旋流向渦對(duì)的穩(wěn)定性，并調(diào)整渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、有效噴注流速和流量參數(shù)；控制逆旋流向渦對(duì)在高速主流的預(yù)定位置破裂，完成逆旋流向渦對(duì)裹挾的氣態(tài)燃料與高速主流混合。
[0014]進(jìn)一步地，燃料供應(yīng)系統(tǒng)以穩(wěn)定和低壓狀態(tài)將氣態(tài)燃料通過(guò)微型切向噴孔以低流速注入高速來(lái)流近壁邊界層底部。
[0015]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016]1、根據(jù)本發(fā)明的超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置，燃料供應(yīng)系統(tǒng)以穩(wěn)定且較低的壓力將氣態(tài)燃料通過(guò)微型切向噴孔以較低流速注入高速來(lái)流近壁邊界層底部，邊界層外層的部分高速氣流在渦流發(fā)生器邊緣脫落形成逆旋流向渦對(duì)并裹挾氣態(tài)燃料形成虛擬射流，隨后借助逆旋流向渦對(duì)的自誘導(dǎo)效應(yīng)即可將逆旋流向渦對(duì)自身及其所裹挾的燃料帶入主流，實(shí)現(xiàn)氣態(tài)燃料噴注目的，噴注動(dòng)力本質(zhì)上來(lái)自逆旋流向渦對(duì)從高速來(lái)流所繼承的動(dòng)能，因而氣態(tài)燃料噴注不依賴于高壓驅(qū)動(dòng)，從而降低了燃料供應(yīng)系統(tǒng)的工作壓力，避免了傳統(tǒng)橫向噴注射流對(duì)主流的沖擊，增強(qiáng)了射流初始段的穩(wěn)定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向渦對(duì)隨后在主流中發(fā)生破裂時(shí)會(huì)形成強(qiáng)對(duì)流，從而促使其裹挾的氣態(tài)燃料與主流快速充分混合，使得氣態(tài)燃料的混合效果更好。
[0017]2、根據(jù)本發(fā)明的超聲速流場(chǎng)中燃料低壓噴注混合方法，在使用過(guò)程中，燃料供應(yīng)系統(tǒng)以穩(wěn)定且較低的壓力將氣態(tài)燃料通過(guò)微型切向噴孔以較低流速注入高速來(lái)流近壁邊界層底部，邊界層外層的部分高速氣流在渦流發(fā)生器邊緣脫落形成逆旋流向渦對(duì)并裹挾氣態(tài)燃料形成虛擬射流，隨后利用逆旋流向渦對(duì)的自誘導(dǎo)效應(yīng)即可將逆旋流向渦對(duì)自身及其所裹挾的燃料帶入主流，實(shí)現(xiàn)氣態(tài)燃料噴注目的，噴注動(dòng)力本質(zhì)上來(lái)自逆旋流向渦對(duì)從高速來(lái)流所繼承的動(dòng)能，因而氣態(tài)燃料噴注不依賴于高壓驅(qū)動(dòng)，從而降低了燃料供應(yīng)系統(tǒng)的工作壓力，避免了傳統(tǒng)橫向噴注射流對(duì)主流的沖擊，增強(qiáng)了射流初始段的穩(wěn)定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向渦對(duì)隨后在主流中發(fā)生破裂時(shí)會(huì)形成強(qiáng)對(duì)流，從而促使其裹挾的氣態(tài)燃料與主流快速充分混合，使得氣態(tài)燃料的混合效果更好。
[0018]除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0019]構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0020]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例超聲速流場(chǎng)中燃料噴注混合裝置的工作原理示意圖；
[0021]圖2是圖1中的燃料駐室及噴孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是圖1中的渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例超聲速流場(chǎng)中燃料低壓噴注混合方法的流程示意圖。
[0024]圖例說(shuō)明:
[0025]1、高速氣流；2、氣態(tài)燃料；3、超聲速流道壁面；4、微型切向噴孔；5、渦流發(fā)生器；501、逆旋流向渦對(duì)；502、流向渦；6、高速主流；7、燃料駐室。