超声速流场中燃料喷注混合装置及燃料低压喷注混合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料喷注技术领域，特别地，涉及一种超声速流场中燃料喷注混合装置。此外，本发明还涉及一种包括上述超声速流场中燃料喷注混合装置的超声速流场中燃料低压喷注混合方法。
【背景技术】
[0002]超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中燃烧的冲压发动机，其中燃料的喷注、混合是超燃冲压发动机设计中的关键技术之一。射流的穿透高度及其下游的混合效率是评价燃料喷注方案的重要指标，将直接影响发动机的点火及燃烧效率，并对整个发动机的工作过程和整体性能也有着深刻的影响。特别是大尺寸的发动机燃烧室中，为确保燃料与主流的充分接触、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径主要有两种，一种是在主流中设置支板、喷油杆等附加装置，该方式会在发动机主流中引入很强的激波结构和总压损失，严重制约发动机性能提升，且要保证这些附加装置在燃烧室内部高温高压条件下正常工作，还需对这些附加装置进行冷却，使得整个发动机结构复杂化，可靠性降低。另一种是提高壁面横向射流的喷注压力，该方式直接从壁面向高速主流喷射燃料无需另行设置附件装置，但是对压力供应系统要求较高，且横向射流与高速主流之间存在强烈的相互作用导致射流很快破裂，穿透深度非常有限，混合效果差，也无法满足大尺寸发动机的应用需求。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种超声速流场中燃料喷注混合装置及燃料低压喷注混合方法，以解决现有燃料喷注方式喷注压力要求高、能量损失大、穿透深度低、混合效果差等技术问题。
[0005]根据本发明的一个方面，提供一种超声速流场中燃料喷注混合装置，包括:用于向超声速流道内的高速主流注入气态燃料的燃料供应系统、开设于超声速流道壁面上用于由燃料供应系统向超声速流道内注入气态燃料的微型切向喷孔以及设于微型切向喷孔下游用于形成裹挟有气态燃料的逆旋流向涡对的涡流发生器；燃料供应系统提供的气态燃料通过微型切向喷孔低速注入超声速流道中的高速来流近壁面边界层底部并在边界层上层的高速气流带动下流向涡流发生器，借助于边界层上层的部分高速气流和处于边界层底层的气态燃料在涡流发生器两侧边缘的脱落过程形成两束流向涡，流向涡在涡流发生器尾缘合并形成逆旋流向涡对；逆旋流向涡对借助自身涡结构的自诱导机制而逐渐升离超声速流道壁面进入高速主流并通过逆旋流向涡对在高速主流中受到的不稳定因素控制逆旋流向涡对在高速主流中发生破裂，以使逆旋流向涡对中裹挟的气态燃料与高速主流快速混合。
[0006]进一步地，燃料供应系统包括用于提供压力大小高于超声速流道内高速主流静压且低于高速主流总压且压力分布均匀的气态燃料的燃料驻室，燃料驻室设于超声速流道壁面内并与微型切向喷孔连通。
[0007]进一步地，微型切向喷孔设有多个，多个微型切向喷孔排布成多个纵列和多个横列，呈阵列式排列。
[0008]进一步地，微型切向喷孔的输出口偏向高速主流流动方向倾斜。
[0009]进一步地，涡流发生器呈斜坡式三角翼构型。
[0010]根据本发明的另一方面，还提供了一种超声速流场中燃料低压喷注混合方法，其包括上述超声速流场中燃料喷注混合装置，在超声速流道壁面的微型切向喷孔注入气态燃料，气态燃料通过微型切向喷孔注入高速来流近壁边界层底部；边界层上层的部分高速气流与气态燃料在涡流发生器边缘脱落生成逆旋流向涡对，并裹挟气态燃料；借助逆旋流向涡对的自诱导速度场输运气态燃料至高速主流；通过逆旋流向涡对在高速主流中受到的不稳定因素控制逆旋流向涡对在高速主流中破裂，从而完成气态燃料与高速主流的混合。
[0011]进一步地，边界层上层的部分高速气流与气态燃料在涡流发生器边缘脱落生成逆旋流向涡对，并裹挟气态燃料的步骤，具体包括:边界层上层的部分高速气流在涡流发生器侧边缘脱落并卷起形成流向涡，并裹挟一同从涡流发生器侧边缘脱落的气态燃料于流向涡涡核附近；形成于涡流发生器两侧的裹挟有气态燃料的流向涡随后在涡流发生器尾缘合并形成逆旋流向涡对。
[0012]进一步地，借助逆旋流向涡对自身的自诱导速度场输运气态燃料至高速主流的步骤，具体包括:逆旋流向涡对在其自身涡结构的自诱导机制作用下逐渐升离壁面，并将其裹挟的气态燃料一同带离超声速流道壁面，并输运气态燃料至高速主流；逆旋流向涡对的涡自诱导机制所依赖的能量来源于来流边界层上层的高速气流自身的动能。
[0013]进一步地，通过逆旋流向涡对在高速主流中受到的不稳定因素控制逆旋流向涡对在高速主流中破裂，完成气态燃料与高速主流混合的步骤，具体包括:根据逆旋流向涡对在主流中受到的不稳定因素预估逆旋流向涡对的稳定性，并调整涡流发生器的结构参数、有效喷注流速和流量参数；控制逆旋流向涡对在高速主流的预定位置破裂，完成逆旋流向涡对裹挟的气态燃料与高速主流混合。
[0014]进一步地，燃料供应系统以稳定和低压状态将气态燃料通过微型切向喷孔以低流速注入高速来流近壁边界层底部。
[0015]本发明具有以下有益效果:
[0016]1、根据本发明的超声速流场中燃料喷注混合装置，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料通过微型切向喷孔以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，边界层外层的部分高速气流在涡流发生器边缘脱落形成逆旋流向涡对并裹挟气态燃料形成虚拟射流，随后借助逆旋流向涡对的自诱导效应即可将逆旋流向涡对自身及其所裹挟的燃料带入主流，实现气态燃料喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对从高速来流所继承的动能，因而气态燃料喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对主流的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对随后在主流中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料与主流快速充分混合，使得气态燃料的混合效果更好。
[0017]2、根据本发明的超声速流场中燃料低压喷注混合方法，在使用过程中，燃料供应系统以稳定且较低的压力将气态燃料通过微型切向喷孔以较低流速注入高速来流近壁边界层底部，边界层外层的部分高速气流在涡流发生器边缘脱落形成逆旋流向涡对并裹挟气态燃料形成虚拟射流，随后利用逆旋流向涡对的自诱导效应即可将逆旋流向涡对自身及其所裹挟的燃料带入主流，实现气态燃料喷注目的，喷注动力本质上来自逆旋流向涡对从高速来流所继承的动能，因而气态燃料喷注不依赖于高压驱动，从而降低了燃料供应系统的工作压力，避免了传统横向喷注射流对主流的冲击，增强了射流初始段的稳定性，有利于增加燃料穿透深度，且逆旋流向涡对随后在主流中发生破裂时会形成强对流，从而促使其裹挟的气态燃料与主流快速充分混合，使得气态燃料的混合效果更好。
[0018]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0019]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0020]图1是本发明优选实施例超声速流场中燃料喷注混合装置的工作原理示意图；
[0021]图2是图1中的燃料驻室及喷孔的结构示意图；
[0022]图3是图1中的涡流发生器的结构示意图；
[0023]图4是本发明优选实施例超声速流场中燃料低压喷注混合方法的流程示意图。
[0024]图例说明:
[0025]1、高速气流；2、气态燃料；3、超声速流道壁面；4、微型切向喷孔；5、涡流发生器；501、逆旋流向涡对；502、流向涡；6、高速主流；7、燃料驻室。