スクラムジェット燃焼器内の燃焼形態と壁面熱流束に関する研究

超燃冲压发动机燃烧室燃烧方式及壁面热流密度研究

基本信息

批准号：
13750841
负责人：
高橋周平
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Gifu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750841/
关键词：
スクラムジェット壁面熱流束燃焼保炎衝撃波炭化水素系燃焼

项目摘要

壁面熱流束の解析結果より,燃焼器内での燃焼形態は衝撃波の有無により大きく変化することが確認された.水素を燃料として用いた場合,燃焼器内における発熱量が小さい場合には,燃料は壁面近傍の高温境界層内で燃焼する弱燃焼モードを,発熱量が比較的大きい場合には衝撃波を発生させ,その背後で急速に燃焼が行われる強燃焼モードが達成された.強燃焼モードが達成される条件においては,ステップ近傍に大規模な再循環領域が形成され,これが保炎領域として機能していた.つまり,衝撃波をうまく利用して大きな還流域を形成することで,水素に比べて反応性の劣る燃料を利用できる可能性がある.ケロシンに代表される炭化水素系燃料は液体水素と比較して,反応速度は小さいが,単位体積当たりの発熱量が大きく,飛翔体の燃料として有利である.そこで,本年度は燃料としてケロシン,メタン,水素を用いてこれらの燃焼挙動を比較した.その結果,炭化水素系燃料の燃焼特性として以下の知見を得た.炭化水素系燃料を用いた場合,水素を比べ着火限界は大きく劣り,主流総温2000K以下では着火・保炎は確認されなかった.また,弱燃焼モードに相当する燃焼モードが存在せず,衝撃波の存在なしでは保炎は不可能であった.しかしながら,衝撃波を発生させることで強燃焼モードでの保炎が可能である.また,強燃焼モードにおいても,炭化水素系燃料を利用した場合は,水素を利用した場合と比較して圧力上昇がなだらかであり,また衝撃波位置が系のヘルムホルツ振動数に近い振動数で大きく振動する.この性質は擬似衝撃波などで見られる現象であり,このことから炭化水素を用いた場合は,水素を用いた場合と異なり,燃料が比較的発達した衝撃は構造を通過しながら次第に燃焼していることが予想された.よって,炭化水素形燃料を用いた場合は,燃焼領域が噴射口位置の比較的下流に位置することが考えられる.この結果はISABE2003で発表予定である.

从壁面热流的分析结果可以确认，燃烧器内的燃烧形态根据冲击波的有无而发生很大的变化。当使用氢气作为燃料时，如果燃烧器内的发热量较小，燃料在靠近壁的高温边界层中燃烧。当发热量较大时，会产生强烈的燃烧模式，产生冲击波，并在其后面迅速发生燃烧，形成较大的再循环区域。这起到了火焰保持区域的作用。换句话说，通过充分利用冲击波形成大的回流区域，可以使用比氢反应性低的燃料。煤油等碳化燃料与液氢相比，氢基燃料具有虽然反应速率较低，但单位体积的热值较大，作为飞行物体的燃料具有优势。因此，今年我们分别使用煤油、甲烷和氢气作为燃料，并比较了它们的燃烧行为。结果，我们发现氢燃料的碳化燃烧特性得到以下发现：当使用碳氢燃料时，着火极限明显劣于氢气，并且在总主流温度为2000K以下时未确认着火和火焰稳定。不存在燃烧模式，不存在冲击波。然而，通过产生冲击波，在强燃烧模式下可以实现火焰稳定。而且，即使在强燃烧模式下，当使用碳氢燃料时，氢气压力上升也比使用碳氢燃料时更平缓。，并且冲击波位置在接近系统亥姆霍兹频率的频率处剧烈振荡，这种性质是在伪冲击波中看到的现象，并且由此看来，当使用碳氢化合物时，与使用氢燃料时相对发达。据预测，冲击物在穿过结构时会逐渐燃烧。因此，当使用碳氢化合物燃料时，燃烧区域将位于喷嘴位置的相对下游。这一结果计划在 ISABE2003 上公布。