● 摘要
超燃冲压发动机是实现高超声速飞行最为理想的动力形式之一，应用前景十分广阔。在超燃冲压发动机众多关键技术中，燃烧室技术是其中的难点。由于超燃冲压发动机燃烧室中气流超声速流动的特点，要想在其中实现燃料的掺混、点火和稳定燃烧十分困难。 运用等离子体稳定高速气流中的火焰是近年来的研究热点，虽然目前对等离子体稳定火焰的机理还不是特别清楚，至少有以下两方面的原因是值得研究的：其一，等离子体的热效应。其二，等离子体的化学动力学效应。直流电弧等离子体发生器是一种重要的热等离子体源，通过关于等离子体点火的大量的实验研究和数值模拟显示，它可以成功的作为超燃冲压发动机燃烧室中的点火器。 本文利用Chemkin及Fluent软件，针对不同的煤油化学反应模型，模拟了超燃燃烧室内的燃烧。研究发现，三步化学反应模型与十步化学反应模型中计算得到的煤油燃烧效率较高，不同当量比下的壁面压力与试验数据比较符合,与十一步化学反应模型相比,这两个化学反应模型更能准确地描述煤油在超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧。 本文针对超燃冲压发动机在较低飞行马赫数(Ma≤4)的起动点火问题，在北航直联式超燃实验台燃烧室中设计了等离子体发生器+凹槽火焰稳定器的点火方式。利用计算流体力学软件对煤油在燃烧室中的等离子体点火助燃进行了数值模拟。采用等离子体高温射流模型与活性成分模型，通过对比不同煤油燃烧模型下的流场表明，在燃烧室进口Ma=2、总温T0=1200K时，采用等离子体点火均实现了煤油的可靠点火和稳定燃烧；在燃烧室进口总温T0=1600K、2000K时，高温等离子体大幅的提高了煤油的燃烧效率。 论文最后在北航超燃直联试验台上，利用等离子体发生器进行了氢气与乙烯的点火试验研究。试验观察到了等离子体发生器能减小燃料点火延迟时间，在较低来流总温下均可以实现燃料的可靠点火和稳定燃烧。