基于Damköhler数的蒸发式值班火焰稳定器贫熄边界分析方法研究
（a）稳定工作 （b）近熄火
通过LII方法获得的不同值班油量下的碳烟分布
研究背景
空气涡轮火箭发动机（ATR：Air Turbine Rocket）是涡轮发动机与火箭发动机的组合（如图5所示），具有飞行速域宽（0~Ma4+）、空域大（0~30km）、推重比高（≥10）的技术优势，是临近空间飞行器的理想动力方案之一。相对于涡轮机组合循环发动机（TBCC：Turbine Based Combined Cycle）、火箭基组合循环发动机（RBCC：Rocket Based Combined Cycle）等其他临近空间组合动力方案，ATR发动机由于其独特的富燃燃气和空气 “双流路”气动布局，实现压缩系统与膨胀系统的解耦，巧妙的避免了常规组合动力方案的“推力陷阱”和“死重”等技术缺陷，可以实现在宽速域、大空域内的无“模态转换”的推力连续飞行。
空气涡轮火箭发动机示意图
燃烧室是ATR发动机的核心部件之一，其与小涵道比涡扇发动机加力燃烧室的主要区别是ATR发动机燃烧室内涵为富燃燃气，其与外涵空气可以继续组织气-气燃烧；而加力燃烧室内涵则为贫燃燃气，无法与外涵空气组织燃烧。由于ATR发动机燃烧室内涵的富燃燃气含有大量的固体碳烟，对燃烧室的点火及宽范围稳定工作产生不利的影响，因此在燃烧室的设计阶段需要对燃烧室的稳定工作边界进行评估，为燃烧室的设计、改进提供技术支撑。
解决的问题及创新点
国内外研究学者针对燃烧室熄火边界预测方法开展了大量的研究工作。目前主要的研究方法包括纯经验方法以及半理论半经验方法。纯经验方法通过将熄火关键参数与大量试验数据进行经验拟合得出，比如应用于加力燃烧室熄火预测的Kst数模型。半理论半经验方法基于基本的理论推导结合大量试验数据修正得出，比如Lefebvre的熄火模型。但无论是纯经验方法还是半理论半经验方法，在预测方法的建立过程中都包含了经验校正，这会对方法的普适性带来不利影响。有鉴于此，本文以ATR发动机燃烧室蒸发式值班火焰稳定器为研究对象，采用将Damköhler数模型与数值模拟相结合的方法，建立了复合Damköhler数模型。Damköhler数定义为流动时间与化学反应时间之比，是一个纯理论模型，其中不包含任何的经验校正，因此，相对于纯经验方法和半理论半经验方法，复合Damköhler数模型具有更好的普适性。通过与实验数据对比，本文的复合Damköhler数模型熄火油气比的预测值与理论值吻合良好。
总结与展望
面向ATR发动机燃烧室蒸发式值班火焰稳定器的火焰稳定问题，本文采用将Damköhler数模型与数值模拟相结合的方法，建立了复合Damköhler数模型，其中化学反应时间为可燃混合气在关键反应区发生化学反应的最小时间；流动时间为燃料在关键反应区的停留时间，采用Damköhler=1作为熄火判定准则。
通过与实验数据对比，燃烧室稳定工作时，关键反应区的Damköhler=11.07；在熄火工况，关键反应区的Damköhler≈1，与理论值（Damköhler=1）吻合良好。在未来的工作中，作者将采用高/时空分辨率的数值仿真算法，获得燃烧室熄火过程中瞬时流Damköhler的动态变化规律，从而进一步揭示火焰稳定的本质机理。
近几年论文
[1] Zhang Yuankun, Zhao Qingjun, Hu Bin, Shi Qiang, Zhao Wei, Xiang Xiaorong. Effects of Local Mixing Ratios and Mass Flow Rates on Combustion Performance of the Fuel-Rich LOX (Liquid Oxygen)/Kerosene Gas Generator in the ATR (Air Turbo Rocket) Engine. Aerospace, 2023, Vol.10, 545.
[2] Zhang Yuankun, Hu Bin, Wang Zhonghao, Shi Qiang, Zhao Wei, Zhao Qingjun. Effect of Different Injector Arrangement on Combustion Characteristics of ATR Engine LOX/kerosene Rich Gas Generator. Proceedings of AJCPP 2023 Asian Joint Conference on Propulsion and Power, Kanazawashi Cultural Hall, Ishikawa Japan, March 15-18, 2023.
[3] Qingjun Zhao, Yuankun Zhang, Bin Hu et al. Effects of lobe width ratio on fuel-air mixing and combustion performance in ATR combustors. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, Vol.39(06):637-650.
[4] Yuanhong Qi, Bin Hu, Zhonghao Wang, Shi Qiang, Zhao Wei, Qingjun Zhao. Large eddy simulation of dynamic analysis of methane/air non-premixed combustion in dual-swirl combustor. 11th Asian Joint Conference on Propulsion and Power, Ishikawa, JAPAN, March 15-18, 2023. Paper No. 130.
[5] Yuanhong Qi, Bin Hu, Shi Qiang, Jiangbo Peng, Zhao Wei, Qingjun Zhao. Lean Flameout Characteristics and Unsteady Dynamics of Swirling Non-premixed Flame With and Without Outer Flame. International Journal of Spray and Combustion Dynamics, 2023.
[6] Yuanhong Qi, Bin Hu, Shi Qiang, Sanqun Ren, Zhao Wei Qingjun Zhao. Experimental and Numerical Study on Combustion Instability Characteristics and Mechanism of Swirling Flame with Outer Flame. Proceedings of ASME Turbo Expo 2024, June 24-28, 2024, London, United Kingdom, GT2024-123297.
[7] Xin Jia, Bin Hu, Xiuming Sui, Wen Zeng, Xin Yu, Qingjun Zhao. Prediction of Lean Blowout Limits for Bluff Body Stabilized Flame Using a Gradient Method of Damköhler Number and Temperature. Proceedings of ASME Turbo Expo 2024, June 24-28, 2024, London, United Kingdom, GT2024-127015.
[8] 王梓成, 胡斌, 王中豪, 王藤, 石强, 雒伟伟, 赵庆军. 冲压发动机燃烧室超声速来流横向喷雾轨迹预测模型及动态特性分析研究. 推进技术, 2024, Vol.45(05): 137-149.
[9] 苗建磊, 胡斌, 石强, 曾文, 裴吉, 赵庆军. 小槽宽蒸发式供油/稳焰一体化火焰稳定器结构参数对贫油点熄火性能的影响研究. 航空动力学报, 2024, 网络发表.
[10] 王敬新, 胡斌, 王中豪, 石强, 尹必峰, 赵庆军. 空气涡轮火箭发动机燃烧室异形尾缘波瓣混合器掺混、燃烧特性研究. 推进技术, 2024, 网络发表.
团队介绍
中国科学院工程热物理研究所先进推进动力团队自上世纪90年代起从事航空发动机研究，三十多年来致力于新原理高推重比发动机和新原理宽域发动机的关键技术攻关和整机集成。目前团队共有职工43人，其中正高级岗位人员5人、副高级岗位人员9人；在读研究生56人。研究团队设有总体性能组、结构与振动组、气动热力组、试验测试组、工程制图组及管理支撑组等，拥有航空发动机高空试验台、双轴双涵对转压气机试验台、暂冲式对转涡轮试验台、超音速叶栅试验台、液氧/煤油富燃燃气发生器试验台等多个发动机部件及整机试验装置，承担某GF重点项目、GF基础研究项目、两机专项、自然科学基金等多项国家、省部级和中国科学院项目，项目累计总经费超10亿元。
2024年第11期目录
综述
面向吸热型碳氢燃料结焦抑制的冷却通道研究进展
方文军;叶虞滢;戴怿童;糜 基;张一冉;邵崇坤;郭永胜;
流体力学 气动热力学
叶轮机械大规模CFD并行计算方法应用验证
赵 磊;俞一波;高丽敏;李瑞宇;王可鑫;
基于涡流发生器的内转式进气道流场组织研究
王卫星;刘佳思;刘精彩;李 冬;朱家浩;
基于过程的发动机进气道防冰引气模型及其多维度耦合分析
魏佐君;任光明;李 成;杨宇飞;
两电极/三电极等离子体合成射流激励器工作特性对比研究
王 林;罗振兵;周 岩;刘 强;
高速起动射流过程中可压缩涡环的生长演化及其对瞬时力的影响规律
张济泽;向 阳;林海燕;黄小彬;刘 洪;
燃烧 传热 传质 燃料
基于液滴高压蒸发理论的变时滞燃烧室动力学建模与研究
刘新林;龙相州;李清廉;成 鹏;陈兰伟;
旋流器构型对全环燃烧室性能的影响
龚 卡;王志凯;刘逸博;陈 盛;罗莲军;蒋 尧;
基于Damköhler数的蒸发式值班火焰稳定器贫熄边界分析方法研究
刘 晴;胡 斌;赵 巍;石 强;曾 文;赵庆军;
不同燃烧室结构下的碳/空气两相旋转爆轰发动机数值研究
祝文超;宋 玉;王宇辉;王健平;张国庆;
扰动进口影响多重旋转爆轰波演化及振荡特性的数值研究
陈煌威;吴 宇;李润泽;胡洪波;朱跃进;
涡轮叶片多排气膜叠加特性及机理分析
张 帆;刘存良;曹飞飞;周天亮;李继宸;
涡轮叶片前腔冲击/气膜复合冷却与单一气膜冷却结构对比实验研究
丁俣中;程 想;万红牛;冀文涛;陶文铨;
不同摆角超声速分离线喷管烧蚀数值研究
廖栩锋;田维平;王健儒;曹涛锋;
电控固体推进剂的燃烧波结构和焦耳热增强燃烧模型
鲍立荣;张 伟;王志文;沈瑞琪;
温度循环载荷下药柱力学响应与累积损伤分析
杨 庚;袁杰红;孙海涛;申志彬;
结构 强度
基于优化变分模态分解与计算阶次分析的主轴承故障特征增强方法
栾孝驰;张振鹏;沙云东;高 翔;王李成;
支撑刚度对水下航行器电机-推进轴系振动特性的影响规律分析及优化
安宇晨;刘 静;潘 光;
高空台流量管新型篦齿密封特性分析及结构优化设计
艾延廷;张文亮;田金虎;侯鑫正;张兴源;孙 丹;
测试 试验 控制
航空发动机燃油伺服系统定压活门正向频域设计方法
赵文帅;王 曦;龙一夫;周 龙;周振华;柴文伟;
基于声学信息的航空发动机压气机旋转失速空间特征实验研究
李行健;乔百杰;文 璧;李镇东;刘元是;陈雪峰;
V锥流量计锥形的仿真与实验研究
汤宇佳;叶志锋;王 欣;周 力;
基于工况识别与自训练时空图卷积的航空发动机气路故障诊断
张世杰;胡家文;苗国磊;
新型推进及其它推进
Numerical simulation on magnetohydrodynamic power generation channel of scramjet
赵文帅;王 曦;龙一夫;周 龙;周振华;柴文伟;
低功率平板型霍尔推力器等离子体束流加速机制研究
薛舒文;苗 鹏;王伟宗;刘 伟;李亦非;张广川;
