專利名稱：一種用于超聲速燃燒室的壁面凹槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及吸氣式燃燒推進(jìn)領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)，特別涉及用于超聲速 燃燒室中燃料的點(diǎn)火、混合和燃燒強(qiáng)化的燃燒室壁面嵌入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
高速流動(dòng)中的燃料點(diǎn)火、混合和燃燒，通常是非常困難的。特別是 在超聲速燃燒室中， 一些在亞燃燃燒室中廣泛釆用的點(diǎn)火和穩(wěn)焰措施受 到了限制。圍繞超聲速氣流中的燃燒點(diǎn)火以及燃料混合/燃燒，目前的研 究工作主要有雙燃燒室(預(yù)燃室)、旋流噴嘴、支板式燃料噴射裝置、 壁面凹槽火焰穩(wěn)定裝置、后掠斜坡噴嘴和流向渦發(fā)生裝置、吸熱型碳?xì)淙剂虾腿剂霞訜?，上述技術(shù)由D. T. Curran等人于1996年發(fā)表的"Annu. Rm. Fluid. Mech，， 中的文章 "Fluid Phenomena In Scramjet Combustion Systems"等相關(guān)文獻(xiàn)中進(jìn)行了闡明。以上各種超聲速燃燒的混合和燃燒 強(qiáng)化措施，各有其特點(diǎn)，通常根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇和配置。其中， 壁面凹槽火焰穩(wěn)定裝置，被認(rèn)為是一種超聲速燃燒室中最為簡單和有效 的火焰穩(wěn)定裝置。當(dāng)高速氣流流經(jīng)壁面凹槽時(shí)，進(jìn)入壁面凹槽的氣流與 外部氣流之間產(chǎn)生自持的激振機(jī)制，由此產(chǎn)生壓力、密度和速度的脈動(dòng)， 有助于提高燃料與空氣之間的混合，該研究最早來自于Krishnamurty的 博士學(xué)位論文。在20世纟己90年代，CI AM (Central Institution of Aviation Motors)將凹槽火焰穩(wěn)定器大量用于俄/法聯(lián)合氫燃料雙模態(tài)超燃試驗(yàn)。 已有的研究結(jié)果顯示，壁面凹槽非常有助于超聲速氣流中的火焰穩(wěn)定， 特別是對碳?xì)淙剂先紵姆€(wěn)定。目前對超聲速燃燒室壁面凹槽的研究主 要集中于二維凹槽結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為流動(dòng)為二維凹槽流動(dòng)，凹槽內(nèi)渦軸方向上流動(dòng)速度很低或者等于零，導(dǎo)致流動(dòng)側(cè)向方向上基本不存在氣^y燃料的摻混；二維渦結(jié)構(gòu)在壁面凹槽內(nèi)形成滯止的渦系，凹槽內(nèi)的燃燒 氣流一方面充當(dāng)點(diǎn)火源的角色，另一方面容易形成封閉的旋渦，使得漩渦內(nèi)的高溫氣體與外部高速氣流的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換大大減??；封 閉的渦系導(dǎo)致激波、射流剪切層及凹槽內(nèi)渦系的復(fù)雜相互作用，形成4交 大的氣動(dòng)阻力，使超聲速燃燒室總壓損失增加。針對超聲速燃燒室使用 的三維壁面凹槽，研究結(jié)果較少，可查閱到的研究結(jié)果主要有Torda和 Patel等人于1969年研究了三角結(jié)構(gòu)的壁面凹槽結(jié)構(gòu)(參見Torda， T. P.; Patel， Bharatan R. ， Analytical and Experimental Investigations of Oscillations in Rocket Motor Baffle Cavities. NASA TECH REPORT, AD0849511 ),以及Dougla L. Davis于1996年開展了具有橫向尺寸變化 的三維壁面凹槽結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究(參見Davis， Douglas L. Numerical Analysis of Two and Three Dimensional Recessed Flame Ho迅ers for Scramjet Applications. Ph. D thesis, ADA324246但由于其在橫向方 向的尺寸變化小且結(jié)構(gòu)為前掠式結(jié)構(gòu)，該研究結(jié)果認(rèn)為該三維凹槽對超 聲速混合增強(qiáng)的作用不明顯。另外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與航天科工集團(tuán) 31所合作，開展了帶有導(dǎo)流槽的二維壁面凹槽混合增強(qiáng)及火焰穩(wěn)定實(shí)驗(yàn) 和數(shù)值研究參見黃生洪、徐勝利、劉小勇的煤油超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)兩相 流場數(shù)值模擬(I)數(shù)值校驗(yàn)及總體流場特征-推進(jìn)技術(shù)，20Q4，25 (6);黃 生洪、徐勝利、劉小勇的煤油超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)兩相流場數(shù)值模擬(II).導(dǎo) 流型凹槽對增強(qiáng)摻混和火焰穩(wěn)定的影響初探-進(jìn)技術(shù)，2005,26 (1);以及黃生洪、徐勝利、劉小勇的煤油超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)兩相流場數(shù)值研究(m)煤油在超燃流場中的多步化學(xué)反應(yīng)特征-推進(jìn)技術(shù)，2005，26(2)。該壁 面凹槽結(jié)構(gòu)通過導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)提高凹槽內(nèi)部流動(dòng)與外部流動(dòng)的交換作用， 但導(dǎo)流槽的引入破壞而非組織凹槽內(nèi)部的渦流運(yùn)動(dòng)，不利于火焰穩(wěn)定， 且可能增加壁面凹槽引起的氣動(dòng)阻力。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服目前使用的二維壁面凹槽在超聲速混合強(qiáng)合 及燃燒穩(wěn)定的不足，提供一種新型的三維壁面凹槽，其促進(jìn)主流超聲速 流與壁面凹槽內(nèi)部流動(dòng)質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換作用，并降低壁面凹槽引 起的氣動(dòng)阻力。根據(jù)本發(fā)明的一種用于超聲速燃燒室的壁面凹槽，包括兩個(gè)前側(cè)壁、兩個(gè)后側(cè)壁以及底壁，它們之間形成所述凹槽；兩個(gè)前側(cè)壁垂 直于燃燒室壁面，兩個(gè)后側(cè)壁沿著流過燃燒室壁面氣流的下游方向與燃 燒室壁面所在的平面形成銳角；并且，兩個(gè)后側(cè)壁之間以及兩個(gè)前側(cè)壁 之間都形成向所述氣流的下游方向的、小于180°的夾角；后側(cè)壁和前側(cè) 壁的表面面積均向下游方向逐漸收縮，形成類似"燕尾"型的凹槽。進(jìn)一步，所述凹槽對稱分布，沿其對稱中心的剖面是梯形。另外， 所述凹槽對稱中心的剖面向下游方向收縮的型線可以是直線或者曲統(tǒng)


以下基于下面附圖中的非限制性實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡逸圖1是本發(fā)明三維壁面凹槽示意圖；圖2是本發(fā)明沿著A-A方向的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
本申請?zhí)岢鲆环N新型的三維壁面凹槽方案，如附圖1所示，箭頭方向 為超聲速燃燒室主氣流的流動(dòng)方向，也定義為"下游方向"，與之相反 的方向?yàn)?上游方向"，垂直氣流的兩個(gè)方向定義為"側(cè)向方向"，凹 槽中氣流先經(jīng)過的位置為"前"，氣流后經(jīng)過的位置為"后"。l為燃燒 器的壁面，2為嵌入到壁面內(nèi)的三維凹槽，該凹槽是由兩個(gè)前側(cè)壁3、兩 個(gè)后側(cè)壁4以及底壁5之間形成的；兩個(gè)前側(cè)壁3垂直于燃燒室壁面，兩個(gè) 后側(cè)壁4沿著下游方向與燃燒室壁面所在的平面形成銳角；并且，兩個(gè)后 側(cè)壁4之間以及兩個(gè)前側(cè)壁3之間都形成向超聲主氣流的下游方向的、小 于180°的夾角，且后側(cè)壁4和前側(cè)壁3的表面面積均向下游方向逐漸收 縮，形成類似"燕尾"型的結(jié)構(gòu)，又類似于超聲速機(jī)翼形狀，如附圖l所 示。其物理依據(jù)為三維渦的自抽吸作用當(dāng)壁面凹槽內(nèi)部存在著相差懸 殊的三維渦流時(shí)，將在渦流中心誘導(dǎo)出較強(qiáng)的側(cè)向方向流動(dòng)，從渦強(qiáng)較小 的區(qū)域向渦強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域流動(dòng)。本發(fā)明的三維壁面凹槽采用后掠式結(jié)構(gòu)， 用于降低壁面凹槽形成的氣動(dòng)阻力。本發(fā)明的三維壁面凹槽通過有效組 織壁面凹槽內(nèi)的渦強(qiáng)分布，而非破壞壁面凹槽內(nèi)的渦運(yùn)動(dòng)，來促進(jìn)壁面 凹槽內(nèi)部流體與外部流體之間的交換作用。與現(xiàn)有廣泛采用的二維結(jié)構(gòu)壁面凹槽相比，具有鮮明的特點(diǎn)。本發(fā)明的三維壁面凹槽結(jié)構(gòu)主要通過 控制凹槽內(nèi)渦在側(cè)向方向上的分布不同，利用三維渦結(jié)構(gòu)具有的自抽吸 作用或者泵浦效應(yīng)，強(qiáng)化凹槽內(nèi)部沿側(cè)向方向的流動(dòng)。外部流體通過凹 槽中心(對稱軸附近)區(qū)域進(jìn)入凹槽內(nèi)部，經(jīng)螺線式運(yùn)動(dòng)，在凹槽下游 方向和側(cè)向方向末端排出，從而促進(jìn)外部流體與凹槽內(nèi)部流體之間的質(zhì) 量、動(dòng)量和能量交換作用。由于凹槽內(nèi)部尺寸具有的類似超聲速機(jī)翼的 形狀，當(dāng)應(yīng)用于超聲速燃燒室時(shí)，具有降低凹槽引起的氣動(dòng)阻力的作用。 本項(xiàng)申請?zhí)岢龅某曀偃紵胰S壁面凹槽設(shè)計(jì)原理是對于現(xiàn)有二 維壁面凹槽結(jié)構(gòu)的 一種改進(jìn)措施，在實(shí)際應(yīng)用中僅需對壁面凹槽的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)做一定的修改，而不需對超聲速燃燒室作較大的改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方法和 零部件加工都較簡單，因此在工程實(shí)際應(yīng)用是不存在較大的困難。通過 壁面凹槽結(jié)構(gòu)上的筒單改進(jìn)，用以提高超聲速燃燒室中的混合和燃燒性 能，并降低壁面凹槽產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力。這種結(jié)構(gòu)上的簡單改進(jìn)，成本非 常低廉，易于在工程中應(yīng)用。本發(fā)明的三維壁面凹槽主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如專利申請說明書附圖所示，凹槽嵌入壁面，且為對稱分布，凹槽沿對稱中心面的剖面(如附圖2 所示)是梯形。凹槽剖面面積向流動(dòng)下游方向收縮，凹槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成 類似"燕尾，，型的結(jié)構(gòu)。凹槽剖面向下游方向收縮的型線可以是直線、 或者其它曲線。
權(quán)利要求
1、一種用于超聲速燃燒室的壁面凹槽，其特征在于包括兩個(gè)前側(cè)壁、兩個(gè)后側(cè)壁以及底壁，它們之間形成所述凹槽；兩個(gè)前側(cè)壁垂直于燃燒室壁面，兩個(gè)后側(cè)壁沿著流過燃燒室壁面氣流的下游方向與燃燒室壁面所在的平面形成銳角；并且，兩個(gè)后側(cè)壁之間以及兩個(gè)前側(cè)壁之間都形成向所述氣流的下游方向的、小于180°的夾角；后側(cè)壁和前側(cè)壁的表面面積均向下游方向逐漸收縮，形成類似“燕尾”型的凹槽。
2、 如權(quán)利要求l所述的用于超聲速燃燒室的壁面凹槽，其特征在于 所述凹槽的形狀為對稱分布，且沿其對稱中心的剖面是梯形。
3、 如權(quán)利要求1所述的用于超聲速燃燒室的壁面凹槽，其特征在 于所述凹槽對稱中心的剖面向下游方向收縮的型線可以是直線或者曲 線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于超聲速燃燒室的壁面凹槽，包括兩個(gè)前側(cè)壁、兩個(gè)后側(cè)壁以及底壁，它們之間形成所述凹槽；兩個(gè)前側(cè)壁垂直于燃燒室壁面，兩個(gè)后側(cè)壁沿著流過燃燒室壁面氣流的下游方向與燃燒室壁面所在的平面形成銳角；并且，兩個(gè)后側(cè)壁之間以及兩個(gè)前側(cè)壁之間都形成向所述氣流的下游方向的、小于180°的夾角；后側(cè)壁和前側(cè)壁的表面面積均向下游方向逐漸收縮，形成類似“燕尾”型的凹槽。本發(fā)明的壁面凹槽提高超聲速燃燒室中的混合和燃燒性能。并降低壁面凹槽產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力。其結(jié)構(gòu)簡單，成本非常低廉，易于在工程中應(yīng)用。
文檔編號F23R3/00GK101245921SQ20081010206
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者姜宗林, 春 王 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所