● 摘要
超燃冲压发动机是理想的高超声速吸气推进装置。在超燃燃烧室的研究中，燃料的高效混合和燃烧是一项关键技术。本文着重研究基于支板喷注的燃烧室，采用数值仿真的方法对燃烧室的构型以及支板尾缘构型对掺混和燃烧的影响进行了研究。通过试验的手段研究了一种双支板交叉布置的燃烧室的性能，发现了此燃烧室的两种燃烧状态，并利用动态喷注研究了分级喷注中级间切换存在的问题。
首先，利用FLUENT软件对单支板、双交叉支板和双平行支板的燃烧室构型进行了冷态和热态的仿真研究，对燃烧效率、总压损失和推力的分析的结果表明：双支板交叉布置构型的总压损失比单支板构型高16%，掺混效率高11%，双支板平行布置构型在这两方面均不占优势；双支板交叉布置构型比单支板构型的推力高2.4%。总体上看，三种构型中双支板交叉布置的构型性能最优。对于入口尺寸高度小于宽度的燃烧室构型，上游支板燃烧室沿宽度方向水平布置，能够在一定范围内提高流道抗反压能力。
设计了一种尾缘带三角形楔块的支板，并通过数值仿真研究了这种支板对掺混和燃烧影响。冷态结果表明，尾缘带楔块的支板构型能够诱导出较强的流向涡，使得掺混效率能够提高幅度较大，同时也提高了支板下游凹腔与主流的质量交换率。热态结果表明，支板尾缘带楔块的构型燃烧效率提高5.6%，同时总压损失降低0.7%。
以液态煤油为燃料的双支板燃烧室的试验结果表明，在相同的来流条件和喷注条件下，该燃烧室存在两种稳定的燃烧状态。一种是上游支板喷注的燃料在上游立即燃烧，本文称之为上游燃烧状态；另一种是上游喷注的燃料没有在上游有立即燃烧而是与下游喷注的燃料一起在下游燃烧，本文称之为下游燃烧状态。燃烧状态可以通过特征位置压力判断。利用特征位置的压力和上游支板喷注当量比的关系可以描述两种燃烧状态出现的条件。
上游支板上燃料喷注位置变化对燃烧室壁面压力分布的影响很大，而下游支板上的喷注位置变化对燃烧室壁面压力分布影响很小。上游支板喷注的燃料的燃烧受到当量比和喷注位置到尾缘的距离两个因素的影响。喷注当量比≤0.1时，上游支板上三个位置喷注的燃料都无法维持上游燃烧状态；喷注当量比>0.1时前两个喷注位置能够维持在上游燃烧状态，第三个位置喷注很难实现上游燃烧状态。燃烧室处于下游燃烧状态时，上、下游当量比的分配对燃烧室压力分布没有影响。燃烧室推力和有效当量比之间呈线性关系。一维冲量分析法的计算结果表明，尾缘带三角形楔块的支板，能够使燃烧效率提高3.8~5.2%，总压损失降低1.6~2.8%，与仿真结果一致。来流总温升高，上游喷注当量比的上限会提高，易于出现稳定的上游燃烧状态。相同当量比下，200K来流总温的提高会使得燃烧室峰值压力降低约6~8%。污染空气来流条件下更易于点火，纯净空气条件下壁面边界层分离前传的程度更大，导致激波串位置更加靠前，易于出现溢流。
双支板燃烧室动态喷注试验的结果表明：燃烧状态对喷注位置的切换过程非常敏感，喷注位置改变使得燃烧状态发生变化的诱因是上游燃料当量比的突然变化；两级间的切换试验中，要充分考虑到燃烧室所处的燃烧状态，尤其是下游喷注切换到上游喷注必须在上游燃烧状态才可以实现；在下游喷注当量比较高时，上游在较低的当量比时就可以实现下游燃烧状态向上游燃烧状态的的转换，获得较高的燃烧室性能。