本發(fā)明涉及飛行器試驗，特別涉及一種用于預(yù)混爆震燃燒研究的燃燒加熱式地面試驗風洞。

背景技術(shù)：

1、爆震燃燒作為一種具有能量釋放速率快、熱力循環(huán)效率高等優(yōu)點的超聲速燃燒組織形式，廣泛應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動機、旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動機、斜爆震發(fā)動機等高超聲速飛行器動力系統(tǒng)。在面向?qū)嶋H高超聲速飛行工況開展爆震起爆和傳播發(fā)展機理等超聲速燃燒基礎(chǔ)研究中，尤其是飛行馬赫數(shù)不小于8等工況，要求預(yù)混試驗風洞性能指標滿足：總溫大于2600k、總壓高于5mpa、超聲速加熱空氣流量不小于1kg/s、預(yù)混可燃氣當量比可調(diào)；同時要求風洞啟動方案可靠、長時間穩(wěn)定工作(對局部過熱表面有可靠熱防護)、出口流場品質(zhì)好。

2、目前超聲速爆震燃燒地面試驗通常有兩種方式：一是采用脈沖式設(shè)備，例如沖壓加速器、斜激波管、爆轟驅(qū)動直連式激波風洞等，開展有效試驗時間為微秒或毫秒量級的試驗；二是采用連續(xù)式設(shè)備，運用超聲速風洞連續(xù)模擬爆震燃燒室入口預(yù)混氣流，進行秒量級的試驗。

3、目前公開報道的使用脈沖式試驗設(shè)備進行超聲速爆震燃燒實驗有：論文《obliquedetonation?wave?stability?around?a?spherical?projectile?by?a?high?timeresolution?optical?observation》中介紹的沖壓加速器由二級輕質(zhì)氣體炮、塑料膜片、試驗段和卸爆段組成，利用二級輕質(zhì)氣體炮將聚乙烯球形彈丸加速至2300m/s，彈丸高速沖擊破碎塑料膜片，隨后彈丸進入充滿可爆混合物的試驗段，進行斜爆震燃燒試驗。但沖壓加速器所使用彈丸的慣性小，而運動過程受到的氣動阻力大，彈丸運動速度無法維持，造成有效試驗時間僅為微秒量級；經(jīng)預(yù)先混合處理的靜止氣存在自燃爆炸等安全風險。

4、論文《onset?of?oblique?detonation?waves:comparison?betweenexperimental?and?numerical?results?for?hydrogen-air?mixtures》中公布的斜激波管，其內(nèi)部充入上下兩層組分比例不同的可燃預(yù)混氣，二者之間使用薄膜分隔。該設(shè)備利用下層可燃預(yù)混氣的cj爆震傳播速度大于上層可燃預(yù)混氣這一特性，上下兩個爆震波后的壓差促使薄膜偏轉(zhuǎn)并形成氣動斜劈，因此上層的可燃預(yù)混氣內(nèi)產(chǎn)生斜爆震燃燒。值得注意的是，這一設(shè)備能夠通過調(diào)節(jié)預(yù)混氣的組分配比實現(xiàn)氣動斜劈的角度調(diào)節(jié)，但氣動斜劈狀態(tài)存在極大不穩(wěn)定性，有效試驗時間同樣為微秒量級。上述兩種脈沖式試驗設(shè)備還同時存在問題：可爆預(yù)混氣一般為常溫、常壓儲存，試驗工況調(diào)節(jié)受限于儲存等安全因素，難以模擬爆震燃燒室的真實工況。

5、論文《shock-tunnel?experimental?study?of?combustion?enhancementmethods?for?a?high?mach?number?scramjet》中介紹的jf-24爆轟驅(qū)動直連式激波風洞，該裝置由激波管、拉瓦爾噴管、試驗段和真空艙組成，其中激波管包括驅(qū)動段、被驅(qū)動段和卸爆段，運用爆轟點火技術(shù)在激波管主膜上游位置形成反向傳播的爆轟波，爆轟波產(chǎn)生的高溫、高壓驅(qū)動氣體進入被驅(qū)動段，被驅(qū)動段內(nèi)部先后形成高強度入射激波和反射激波，被驅(qū)動氣體經(jīng)兩道激波壓縮后形成高總溫、高總壓的滯止氣體，經(jīng)拉瓦爾噴管準定常膨脹加速獲得馬赫數(shù)為4.3的試驗氣流。這一試驗設(shè)備具有重復性好、成本低等特點。但同樣存在不足之處：一是峰值壓強容易超過驅(qū)動段的結(jié)構(gòu)強度上限，難以進一步提高驅(qū)動氣體的可用壓強，也限制了風洞試驗段尺寸的增大；二是激波傳播過程受到邊界層等能量耗散效應(yīng)作用，被驅(qū)動段長度增加受限，因而有效試驗時間一般僅為毫秒量級。

6、上述三種脈沖式試驗設(shè)備的共同問題是：有效試驗時間很短，不方便開展超聲速爆震燃燒波起爆和發(fā)展等動態(tài)演化過程研究，也難以滿足吸氣式高超聲速爆震發(fā)動機研制對其連續(xù)工作特性的試驗要求。

7、目前公開報道的連續(xù)式超聲速爆震燃燒地面試驗裝置有：專利《一種用于爆震燃燒研究的超聲速地面實驗風洞》(cn102121870a)中公布的超聲速預(yù)混試驗風洞，該裝置由預(yù)熱燃燒室、二維陣列噴管和混合段組成，利用空氣、氧氣、氫氣三組元燃燒加熱方案連續(xù)產(chǎn)生高溫燃氣，經(jīng)過陣列噴管的準定常膨脹加速，同時在未完全膨脹的低速氣流中進行燃料噴注，在混合段內(nèi)形成滿足爆震燃燒試驗條件的超聲速預(yù)混氣流。該風洞能夠?qū)崿F(xiàn)總溫超過1000k、總壓大于1mpa的高焓超聲速預(yù)混氣模擬。此方案采用多個二維噴管構(gòu)成噴管陣列，保證高焓超聲速空氣和燃料的混合效果，但模擬飛行馬赫數(shù)為8等高超聲速飛行工況時噴管喉部尺寸過小，同時喉部缺少有效冷卻手段，容易出現(xiàn)熱變形現(xiàn)象，喉部尺寸變化相對較大，造成高焓空氣模擬馬赫數(shù)、溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)難以控制。此外，使用氫氣作為燃料模擬總溫大于2700k等工況，氫氣使用量較大，其貯存、運輸?shù)确矫娑即嬖谥T多不安全因素，很大程度限制了預(yù)混超聲速風洞尺寸增大和性能提升。

8、從上述列舉的連續(xù)式預(yù)混風洞技術(shù)可知，目前燃燒加熱式超聲速預(yù)混試驗風洞需要在以下幾個方面進行改進：

9、(1)預(yù)混氣總溫、總壓、馬赫數(shù)、流量等狀態(tài)參數(shù)的上限高；

10、(2)預(yù)混氣的狀態(tài)參數(shù)大范圍可調(diào)；

11、(3)防止噴管喉部熱變形出現(xiàn)預(yù)混氣狀態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提出一種用于預(yù)混爆震燃燒研究的燃燒加熱式地面試驗風洞，能夠提升預(yù)混氣總溫、總壓、馬赫數(shù)、流量等狀態(tài)參數(shù)的上限，擴大預(yù)混氣的狀態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，并且降低噴管喉部受熱變形的幾率以維持噴管喉部尺寸穩(wěn)定。

2、本發(fā)明還提出一種使用上述用于預(yù)混爆震燃燒研究的燃燒加熱式地面試驗風洞的試驗方法。

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面實施例的用于預(yù)混爆震燃燒研究的燃燒加熱式地面試驗風洞，包括：

4、燃燒加熱室，其包括相互連接的噴注器和燃燒室；

5、所述噴注器包括酒精氧氣噴注件和空氣噴注件；所述空氣噴注件的端部呈環(huán)狀，所述空氣噴注件的端面開設(shè)有空氣噴注口，所述空氣噴注口圍繞所述空氣噴注件的形體中軸線呈螺旋方式設(shè)置，所述空氣噴注口噴出在所述燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)氣流；所述酒精氧氣噴注件的端部從所述空氣噴注件的內(nèi)側(cè)伸入，所述酒精氧氣噴注件的端部開設(shè)有多個酒精噴注口，所述酒精氧氣噴注件與所述空氣噴注件之間預(yù)留有用于噴出氧氣的氧氣噴注直槽；

6、所述燃燒室的外側(cè)開設(shè)有冷卻槽以使冷卻液流動；

7、其中，所述燃燒室內(nèi)酒精、空氣和氧氣混合燃燒，所述旋轉(zhuǎn)氣流沿所述燃燒室內(nèi)壁流動以增強氣體混合并且阻隔內(nèi)部熱量向所述燃燒室內(nèi)壁的傳導；

8、混合噴管，其與所述燃燒室連接，所述混合噴管為拉瓦爾噴管。

9、根據(jù)本發(fā)明實施例的用于預(yù)混爆震燃燒研究的燃燒加熱式地面試驗風洞，至少具有如下有益效果：通過酒精噴注口對酒精進行散射狀噴射，從而與從氧氣噴注直槽噴出的氧氣對撞并充分混合，同時空氣從空氣噴注件噴出，促進氣體混合，并阻隔酒精燃燒產(chǎn)生的熱量向燃燒室傳導。燃燒室通過外側(cè)冷卻槽中的冷卻液吸收熱量，避免燃燒室的熱量對風洞結(jié)構(gòu)造成損害。

10、根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述空氣噴注口的數(shù)量有多個且圍繞所述空氣噴注件的形體中軸線呈圓周陣列分布。

11、根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述酒精氧氣噴注件的外側(cè)面開設(shè)有沿其形體方向延伸的氧氣引導槽，所述酒精氧氣噴注件與所述空氣噴注件結(jié)合后，所述氧氣引導槽與所述空氣噴注件的內(nèi)壁共同構(gòu)成所述氧氣噴注直槽。

12、根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述燃燒室包括相互連接的等直燃燒段和變徑燃燒段，所述等直燃燒段的內(nèi)徑沿氣體流動方向保持恒定，所述變徑燃燒段的內(nèi)徑沿氣體流動方向逐漸減小。

13、根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述冷卻槽沿所述燃燒室的形體方向延伸。

14、根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述燃燒室的外側(cè)兩端還開設(shè)有積液槽，所述積液槽環(huán)繞所述燃燒室設(shè)置，各個所述冷卻槽的端部均連接至所述積液槽。

15、根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述燃燒室的外壁套設(shè)有外殼，所述冷卻槽與所述外殼內(nèi)壁共同構(gòu)成可供冷卻液流動的冷卻液通道，所述外殼開設(shè)有連通至所述冷卻液通道的冷卻液入口和冷卻液出口。

16、根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述混合噴管開設(shè)有多個相互連通的燃料腔，所述燃料腔開設(shè)有能夠向所述混合噴管內(nèi)部噴注燃料的燃料噴注孔。

17、根據(jù)本發(fā)明的第二方面實施例的試驗方法，基于上述用于預(yù)混爆震燃燒研究的燃燒加熱式地面試驗風洞進行，包括以下步驟：

18、啟動所述用于預(yù)混爆震燃燒研究的燃燒加熱式地面試驗風洞，酒精、空氣和氧氣混合充入所述燃燒室中；

19、啟動所述燃燒室中的點火裝置，酒精、空氣與氧氣混合燃燒，旋轉(zhuǎn)氣流沿所述燃燒室的內(nèi)壁流動，增強氣體混合并且阻隔酒精燃燒產(chǎn)生的熱量向所述燃燒室內(nèi)壁的傳導；

20、燃燒氣體進入至所述燃燒室繼續(xù)燃燒，冷卻液流經(jīng)所述燃燒室外側(cè)的冷卻槽以對所述燃燒室進行降溫；

21、在所述燃燒室內(nèi)充分燃燒后的高能燃氣排出至所述混合噴管；

22、所述混合噴管內(nèi)部的燃料腔向混合噴管噴注燃料；

23、高能燃氣經(jīng)混合噴管加速，并且與燃料混合，向外噴出高焓氣流。

24、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。