模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法
【专利摘要】本发明提供一种模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其是利用试验设备产生模拟燃烧室内2000K以上的高温含水气流的方法，首先由所述电弧加热器加热产生的高温空气，使该高温空气流入所述混合稳压室；利用所述进水口按照在径向上相对地等质量的方式向所述混合稳压室内喷入一定质量流量的常温液态水；所述常温液态水遇到高温空气后吸热汽化，并与高温空气充分掺混，形成高温含水组分的气流，使该气流进入所述试验喷管。采用本发明的方法能够产生高温(2000K以上)含水组分的气流，可以应用于发动机燃烧室防热材料的耐烧蚀性能和烧蚀机理研究的气动热地面试验。
【专利说明】模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模拟燃烧室内高温含水气流的气动热地面试验方法。
【背景技术】
[0002]发动机燃烧室的热防护技术是超燃冲压发动机的关键技术之一。C/C、C/SiC以及超高温陶瓷(UHTC)等碳基和陶瓷基复合材料等超高温防热材料，以其较好的高温化学和物理性能，在发动机燃烧室的热防护系统中得到了较为广泛的使用。材料表面氧化烧蚀和机械剥蚀是发动机燃烧室防热材料烧蚀甚至破坏的主要表现形式。
[0003]在碳氢燃料燃烧反应后，燃烧室内部的气体成分主要是燃烧产物二氧化碳和水蒸汽以及空气中的氮气和少量氧气。在燃烧室内部的高温热环境下，燃烧室壁面的部分防热材料与水蒸汽发生的氧化反应比与空气中的氧气还要快。同时，水蒸汽还能与材料表面的二氧化硅发生化学反应，破坏材料表面形成的玻璃状保护层，生成气态的氢氧化硅。这些氧化和挥发化学反应对燃烧室的防热材料的抗氧化和耐烧蚀效果有明显的影响。为了分析该情况下防热材料的氧化烧蚀机理，需要在热防护材料考核的地面试验中对水蒸汽的组分、浓度和温度进行模拟。
[0004]气动热地面考核验证试验中，电弧加热设备是对材料的热防护性能进行考核的主要设备。利用其创造的高温、高速气流可以模拟高超声速飞行器在临近空间内飞行马赫数Ma5?20、试验时间千秒量级的气动加热环境。
[0005]利用电弧加热的双模型湍流导管试验设备能够模拟发动机燃烧室防热材料表面的内流热环境，但是气体组分为高温空气。而燃气风洞提供的气体组分中虽然含有水蒸气，但是其能模拟的总温上限大约在2000K左右，不能满足发动机燃烧室内部的高温(2000K以上)条件。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供一种模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法。可以模拟燃烧室内部含水气流中的水蒸汽组分、质量分数ω以及气流总温Ttl、气流总压和气流速度，为发动机燃烧室防热材料的耐烧蚀性能考核和材料烧蚀机理研究提供地面试验条件。
[0007]本发明技术方案的模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法是利用试验设备产生模拟燃烧室内2000Κ以上的高温含水气流的方法,所述试验设备包括电弧加热器、混合稳压室和试验喷管，在所述混合稳压室上游的室壁上具有在径向上彼此相对的偶数个进水口，所述模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法包括:步骤一:由所述电弧加热器产生高温空气，使该高温空气流入所述混合稳压室；步骤二:利用所述进水口按照在径向上相对地等质量流量的方式向所述混合稳压室内喷入常温液态水；和步骤三:所述常温液态水遇到高温空气后吸热汽化，并与高温空气充分掺混，形成高温含水组分的气流，之后该气流进入所述试验喷管。[0008]优选所述电弧加热器是管状电弧加热器、分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器。
[0009]优选模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法还包括在试验前对试验所需各项参数进行计算的参数确定步骤。
[0010]优选所述参数确定步骤包括根据所需要模拟的燃烧室内部燃烧的当量比和燃油组分，确定高温气流中水组分的质量分数；并根据所述电弧加热器产生的高温空气质量流量，计算出喷入所述混合稳压室的常温液态水质量流量的步骤。
[0011]优选所述参数确定步骤还包括根据所需要模拟的燃烧室内高温含水气流总温、高温空气的质量流量和常温液态水的质量流量，计算出在未喷入水前所述电弧加热器需要产生的高温空气总比焓的步骤。
[0012]优选所述参数确定步骤还包括利用气液两相流的数值模拟方法，能够确定掺混均匀时需要的所述混合稳压室的最小轴向长度的步骤。
[0013]发明效果
[0014]本发明通过在混合稳压室内使喷入一定质量流量的常温液态水与电弧加热器产生的高温空气掺混、吸热汽化，并在进入试验喷管前达到水蒸汽和高温空气掺混均匀的状态，形成模拟发动机燃烧室内部燃烧产生的高温(2000K以上)含水气流的试验条件，为开展发动机燃烧室防热材料在高温含水气流中的氧化烧蚀机理研究提供地面试验保障。
[0015]本发明采用在所述混合稳压室上游的所述进水口采用径向、相向、等质量流量地喷入常温液态水的方式，消除了液态水的径向速度，增强了水与高温空气掺混的强度和效果O
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明试验设备示意图。
[0017]图2为本发明混合稳压室上游进水口布置示意图。
[0018]符号说明
[0019]I电弧加热器
[0020]2混合稳压室
[0021]3试验喷管
[0022]4 进水 口
【具体实施方式】
[0023]以下，参照附图，对本发明实施方式进行说明。
[0024]如图1所示，模拟燃烧室内高温含水气流的试验设备包括电弧加热器1、混合稳压室2和试验喷管3，电弧加热器1、混合稳压室2和试验喷管3彼此之间密封连接。电弧加热器I可以采用管状电弧加热器、分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器等。混合稳压室2根据需要可以选择不同轴向长度的混合稳压室。试验喷管3也可以根据需要选择不同形状或长度的试验喷管。
[0025]如图2所示，在混合稳压室2上游的室壁上配置有进水口 4，该进水口 4按照径向彼此相对的方式在室壁上均匀配置偶数个(2η)，通过进水口 4可以沿径向对混合稳压室2内部喷注液态水。进水口 4配置方式不限于图中所示，只要能够以相向、等质量流量的方式消除液态水的径向速度即可。
[0026]在利用上述试验设备进行具体试验之前，必须先确定各项参数，即，要先计算出需要喷入混合稳压室2的常温液态水的质量流量Gwate，然后确定电弧加热器I的工作参数，最后还需要确定使水与高温空气的充分掺混均匀的混合稳压室2的最小轴向长度。
[0027]一、试验所需的常温液态水的质量流量Gwate的计算:
[0028]根据需要模拟的燃烧室内部燃烧的当量比和燃油组分，确定高温气流中水组分在燃烧后的掺混气流中的质量分数ω。
[0029]碳氢燃料CxHy与空气燃烧的化学反应方程式为:
【权利要求】
1.一种模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其是利用试验设备产生模拟燃烧室内2000K以上的高温含水气流的方法，所述试验设备包括电弧加热器、混合稳压室和试验喷管，在所述混合稳压室上游的室壁上具有在径向上彼此相对的偶数个进水口，所述模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法的特征在于，包括: 步骤一:由所述电弧加热器产生高温空气，使该高温空气流入所述混合稳压室； 步骤二:利用所述进水口按照在径向上相对地等质量流量的方式向所述混合稳压室内喷入常温液态水；和 步骤三:所述常温液态水遇到所述高温空气后吸热汽化，并与所述高温空气充分掺混，形成高温含水组分的气流，之后该气流进入所述试验喷管。
2.根据权利要求1所述的模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其特征在于:所述电弧加热器是管状电弧加热器、分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器。
3.根据权利要求1所述的模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其特征在于:还包括在试验前对试验所需各项参数进行计算的参数确定步骤。
4.根据权利要求3所述的模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其特征在于:所述参数确定步骤包括根据所需要模拟的燃烧室内部燃烧的当量比和燃油组分，计算高温气流中水组分的质量分数；并根据所述电弧加热器产生的高温空气质量流量，计算出喷入所述混合稳压室的常温液态水质量流量的步骤。
5.根据权利要求3或4所述的模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其特征在于:所述参数确定步骤还包括根据所需要模拟的燃烧室内高温含水气流总温、高温空气的质量流量和常温液态水的质量流量，计算出在未喷入水前电弧加热器需要产生的高温空气总比洽的步骤。
6.根据权利要求3或4所述的模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其特征在于:所述参数确定步骤还包括利用气液两相流的数值模拟方法，能够确定掺混均匀时需要的所述混合稳压室的最小轴向长度的步骤。
7.根据权利要求5所述的模拟燃烧室内高温含水气流的试验方法，其特征在于:所述参数确定步骤还包括利用气液两相流的数值模拟方法，能够确定掺混均匀时需要的所述混合稳压室的最小轴向长度的步骤。
【文档编号】G01N25/00GK103954643SQ201410190361
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】涂建强, 陈连忠, 彭锦龙, 杨忠凯 申请人:中国航天空气动力技术研究院