空气加热器是高超声速飞行器及其推进系统高空模拟试验的关键设备,用于模拟飞行器实际飞行时的总焓、总压、马赫数和空气中氧气组分等飞行参数,但是目前对空气加热器燃烧室内的非稳态喷雾燃烧及其高频燃烧不稳定缺乏认识,本文针对全尺寸空气加热器出现的高频燃烧不稳定问题,设计了一台小流量、低室压的单喷嘴缩尺开窗空气加热器,采用试验和数值仿真的手段从液滴蒸发、燃烧室声学振荡、非稳态喷雾燃烧自激振荡、燃烧室声学振荡环境下的喷雾燃烧响应等方面研究了空气加热器的高频燃烧不稳定维持机理。主要研究内容及结果如下:⑴试验研究了空气加热器的点火过程,结合关键位置的压力时间历程与高速摄影结果分析了空气加热器从点火前一直到点火后稳定燃烧阶段的火焰发展过程以及液氧/酒精喷雾变化过程;捕捉到了空气加热器在一次热试车中多次出现的点火-熄火-复燃现象以及空气加热器点火前液氧在燃烧室中的闪蒸现象;分析了燃烧室长度和点火准备时间对空气加热器点火过程的影响,发现增加燃烧室长度和点火准备时间改善了空气加热器的点火效果,不再出现点火-熄火-复燃现象。点火瞬间引发的高幅值压力尖峰会使火焰前传以及喷雾回流进入喷嘴空气环缝,此过程扰乱了燃烧室流场结构,是喷嘴烧蚀的重要原因之一。缩尺空气加热器对燃烧室压力振荡的耗散较大,难以维持较大幅值的压力振荡,要通过热试研究缩尺空气加热器的高频燃烧不稳定需要采取有效措施维持燃烧室中的压力振荡。空气加热器的点火过程分3个阶段:(a)火炬点火器喷出的高温射流点燃空气加热器喷注面板附近的易燃回流区;(b)易燃回流区内的燃烧火焰在燃烧室内迅速增长;(c)空气/液氧/酒精射流的火焰接力。喷注面板与燃烧室壁面之间形成的回流区对空气加热器完成点火过程起着至关重要的作用。⑵提出了一种针对空气加热器高频燃烧不稳定的新计算思路,并用这种新的计算思路研究了全尺寸/缩尺空气加热器燃烧室内的声学振荡。分析了全尺寸空气加热器火焰的空间分布对预测振荡模态和频率的影响,发现振荡模态和频率与释热区长度密切相关,当释热区位于纵向振荡模态的波腹时,延长释热区长度更容易激发低阶纵向振荡模态。结合模态动力学理论分析发现周向不均匀热释放是引起横向旋转模态与驻波模态之间发生分叉现象的重要因素,短的燃烧释热长度在周向释热较均匀且容易激发低阶旋转型切向振荡模态,长的燃烧释热区在周向释热不均匀且容易激发高阶驻波型切向振荡模态。缩尺空气加热器喷注面板中心位置处的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成2阶横向声学振荡,偏心位置处的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成1阶横向声学振荡。⑶发展了液滴非稳态蒸发模型,分析了液滴蒸发对不同压力振荡幅值、振荡频率的响应。结果表明,环境压力振荡频率是决定蒸发速率与环境压力振荡之间相位差的关键参数,液滴蒸发仅在一定频率范围内能维持燃烧不稳定。蒸发速率与环境压力振荡之间的相位差与环境压力振荡幅值无关。环境压力振荡频率一定时,蒸发速率与环境压力振荡之间相位差主要由液滴热惯性决定。⑷研究了空气加热器的非稳态喷雾燃烧过程,并分析了空气加热器的关键喷注参数(液滴喷注粒径、空气喷注压降)对喷雾燃烧过程的影响。结果表明,小的液滴粒径能得到稳定的喷雾燃烧火焰;雾化效果变差(液滴粒径变大)时,喷雾燃烧火焰失去稳定性出现空气喷注耦合低频燃烧不稳定,提高空气喷注压降有利于杜绝空气喷注耦合的低频不稳定燃烧和提高燃烧效率。⑸研究了空气加热器非稳态喷雾燃烧的自激振荡过程及其对燃烧室声学激励的响应,得到了喷雾燃烧向燃烧室声学振荡模态提供能量的路径。结果表明,燃烧火焰、组分、燃烧释热位置和喷雾密度分布跟随声学速度周期性摆动维持了空气加热器的高频燃烧不稳定,空气喷注速度与燃烧室压力振荡的耦合不仅可以维持低频不稳定燃烧也能维持空气加热器的高频不稳定燃烧。