超燃燃燒室支板噴注器燃料摻混優化數值分析*

王旭東，高　峰，王應洋，張　涵（空軍工程大學防空反導學院，西安　710051）

超燃燃燒室支板噴注器燃料摻混優化數值分析*

王旭東，高峰，王應洋，張涵
（空軍工程大學防空反導學院，西安710051）

為分析噴孔對帶交錯支板/凹腔組合結構燃燒室性能的影響，運用數值模擬的方法研究了單個噴孔和多個噴孔與支板的相對位置對燃料摻混效率的影響，并探討了流場在不同噴射角度下的變化情況。研究發現：噴孔正對下斜支板更有利于燃料向燃燒室中心區域擴散，提高混合效率，此結論同樣適用于多噴孔噴射；噴射角越接近90°，越有利于提高燃料的穿透深度，同時遠場穿透能力隨之增強。但噴射角度越大，總壓損失越大。

超燃燃燒室；支板；噴孔位置；噴射角度

0　引言

燃料在燃燒室中穿透深度和摻混效率的提高一直是設計大型超燃沖壓發動機的關鍵。噴孔的設計必須在不需要較高的噴射動壓的情況下能有效的促進燃料擴散到燃燒室的中心區域以促進燃料與空氣快速混合。當前，超燃沖壓發動機的燃料壁面噴射高度普遍較低，導致混合效率和燃燒效率低下，而在燃燒室中置入的支板噴注器可將燃料直接噴注到主流中，增加燃料擴散均勻度［1］。與傳統支板相比，楔形支板能更有效的促進支板下游燃料摻混［2］。支板上噴孔和噴注策略的設計應能有效的促進燃料的混合。

Chung-Jen Tam等人研究發現前掠支板將燃料帶入流場底部而后掠支板將燃料帶入流場中心區域，此外還發現，噴孔在支板上的位置優化組合對減小總壓損失和增強混合效率有重大意義［3］；Ramya P等人提出在多個立式錐形支板組合結構的基礎上比較了噴孔位置組合方式，發現優化組合后可提升11%的燃燒效率［4-5］；劉金林對噴孔與支板尾部的距離進行研究時發現隨著噴孔向支板尾部移動，燃料擴散程度逐漸減弱［6］。文中在以上研究基礎上，進一步分析了冷流場中噴孔位置和噴射角度對流場特性的影響。通過數值模擬得到乙烯組分分布情況，對不同方案的混合效果進行了分析。

1　計算模型

圖1為支板/凹腔組合結構超燃燃燒室模型［7］示意圖。模型由平直入口段、矩形截面自由通道和擴張尾段組成，總長為510 mm。支板尾部為交錯結構，交錯支板長度為13.76 mm，尾部支板交錯角為36°。選擇乙烯作為燃料，噴孔處乙烯噴射總壓Pt=776.1 kPa，靜壓P=410 kPa，總溫Tt=360 K。來流氣體成分的質量分數αO2=23%，αH2O=17%，來流馬赫數Ma=1.756，總壓 Pt=431.7 kPa，靜壓 P=80.348 kPa，總溫Tt=1 800 K。

圖1　燃燒室結構圖（單位：mm）

如圖2所示，為研究噴孔位置對流場特性與燃料混合效果的影響，文中對單個噴孔位置的研究采用3個算例，按噴孔所正對的交錯支板位置依次記為case _B、case_BC（正對B、C支板交界處）、case_C。方形噴孔寬度均為0.97 mm，距支板尾部均為40 mm。對噴射角度進行研究時，定義噴射方向與主流方向的夾角為噴射角度，文中分別研究噴射角α=30°、60°、90°、120°四個算例。最后為研究其實用性，將單側單噴孔噴射擴展至雙側四噴孔噴射（每側支板上噴孔數均為2個），并設置3個算例，case1為上側噴孔正對A、C支板，下側噴孔正對B、D支板；case2為雙側噴孔均正對A、B支板交界處和C、D支板交界處；case3為上側噴孔正對B、D支板，下側噴孔正對A、C支板。

圖2　支板結構圖

文中的數值模擬利用FLUENT軟件求解，應用多組分化學非平衡N-S守恒方程和可壓縮修正的SST k-ω湍流模型，并選取基于密度的耦合顯式求解器求解穩態問題。計算區域的來流邊界選擇壓強遠場邊界條件，出口按照超聲速出口條件，壁面采用絕熱、無滑移壁面。計算域網格采用ICEM軟件進行劃分，為保證計算的精確度，對近壁面處、噴口位置附近和支板尾部進行網格加密處理，網格總量約為200萬，局部網格見圖3所示。

由于文中所采用物理模型和湍流模型與文獻［7］一致，其已在論文中進行過算例驗證，得出所選的湍流模型和組分輸運模型適用于此燃燒室模型，故文中不再贅述。為驗證文中選用的200萬網格的有效性，選用100萬、150萬、200萬和250萬網格4個算例，并采用乙烯質量分數大于0.005的區域無量綱化面積（記為A，Ai為噴孔面積）作為表征參數對網格的無關性進行檢驗［8］。如圖4所示，隨著網格數的增大，A/Ai之間的差值越來越小，200萬和250萬網格所得A/Ai值的曲線基本重合，說明網格數繼續增加所得的計算結果與文中使用的200萬網格計算結果差距很小，文中選用的200萬網格已經可以滿足計算精度的要求。

圖3　模型網格示意圖

圖4　不同網格數A/Ai值比較

2　計算結果與分析

2.1不同噴孔位置對流場特性的影響

圖5給出了x/D=13處3個算例沿流場流向看去乙烯組分等值線圖，為便于觀察比較，將該處切片等分成4個象限，分別用羅馬數字標出。比較3個算例的乙烯組分高濃度區域分布，發現隨著噴孔位置在z軸方向遞增，高濃度組分區域面積也逐漸增大，同時在y方向也有抬高趨勢；從整體形狀來看，case_B乙烯組分在Ⅲ、Ⅳ象限擴散較充分，說明其縱向穿透能力好；case_BC乙烯組分上下兩部分面積相近，但上部濃度較大，故主要組分仍分布于燃燒室上部；case_ C乙烯組分主要在Ⅰ象限燃燒室的近壁面處，組分濃度分布梯度較大，并且位置相對集中，可得出其未進入主流區域，摻混效果不理想。

圖6給出的是3個算例在x/D=13截面上流場渦量、速度矢量和乙烯組分等值線圖。從中發現，乙烯組分分布形狀基本與流向渦相吻合，case_B的組分在左側3個流向渦的卷吸作用下向支板另一側擴散，這也印證了上文中得出的case_B的縱向擴散能力較好的結果；case_BC受中間兩個流向渦的作用比較大，因此呈條狀；case_C未進入流向渦的主流區域，受最右側外圍渦的作用較小，因此呈半弧狀。

圖5　x/D=13處乙烯組分云圖

圖6　x/D=13處渦量、速度矢量和組分等值線圖

圖7　當量比0.4≤φ≤5.5的切面上乙烯組分云圖

圖7給出了3個算例在冷流場計算工況x/D= 10、11、12、13、14切片上可燃混合區Af［9］（當量比0.4 ≤φ≤5.5）和以噴孔為起點的流線圖，括號內為Af的面積。由圖可見乙烯組分沿x軸的傳播、擴散情況，case_B、case_BC下游乙烯組分y方向擴展深度較大，其中case_B乙烯組分在流場中心處擴散效果較明顯；case_C乙烯組分分布向展向擴展，穿透深度和擴散能力較弱。從量化角度講，對比3個算例的可燃混合區Af面積可直觀的得出case_B＞case_BC＞case_ C，這與上述結果相一致。噴孔越靠近上斜支板，乙烯組分向流場中心擴散能力和穿透能力越弱，分析原因可能是上斜支板阻礙了氣流的展向流動，而噴孔正對下斜支板時，流場有較為充分的空間沿y軸負方向流動，從而帶動乙烯組分向流場中心區域擴散。從流線圖的變化趨勢來看，case_B流線最為分散，case_BC次之，case_C最為集中且靠近燃燒室上部。可以得出噴孔在z方向越靠近下斜支板，流場受支板的擾動作用越明顯，這是由于在下斜支板處，支板結構出現一個有限的外折角，超聲速氣體流過該區域形成膨脹波，在該膨脹波的影響下，氣流向支板的另一側流動，從而帶動乙烯組分進入支板尾部的尾流漩渦主流中，增強了乙烯組分的混合效果。

圖8為3個算例的乙烯組分在各截面上混合效率曲線圖。文中所采用的混合效率是Rogers等人提出的與化學反應相聯系的混合效率概念［10］，最大濃度為各截面乙烯組分質量分數最大值。從混合效率曲線圖中可以發現，在x/D≤10時，case_B和case_C的混合效率基本一致并且好于case_BC，這是由于case_B和case_C距各自相鄰壁面的距離相等，受壁面低速流場擾動作用明顯，混合效果較好，而case_BC處于流場z方向中間位置，擾動作用不明顯，故混合效果較次；在x/D≥10之后，由于乙烯組分處于下斜支板引起的下游縱向旋渦結構中，因此混合效率明顯呈現case_B＞case_BC＞case_C的現象。

圖8　不同位置噴孔混合效率曲線

2.2不同燃料噴射角度對流場特性的影響

圖9給出了冷流場計算工況為x/D=8、9、10、11、12、13、14切片上乙烯可燃混合區組分云圖，括號內為Af的面積。在4種計算結果中，30°和120°在x/ D=9之后的Af切片中已不存在φ≥5.5的高濃度乙烯組分，而60°和90°在x/D=10之后才出現這種情況，由此可以看出，30°和120°的近場穿透能力較強，通過比較x/D=12切片發現，30°已經沒有質量分數在0.08以上的乙烯組分，說明30°的遠場穿透能力最弱；對比遠場切片中乙烯組分質量分數大于0.07的區域發現，噴射角越接近90°，該區域面積越大，說明其y軸方向的穿透深度越好。從可燃混合區Af的面積可以看出，噴射角小于90°時，隨著噴射角的增大，可燃混合區面積Af也隨之而增大。噴射角繼續增大，可燃混合區面積Af反而減小。在所選的4個算例中，噴射角為90°的混合效果最好。

圖9　當量比0.4≤φ≤5.5的切面上乙烯組分云圖

圖10給出了不同噴射角度的燃/氣混合效率和總壓損失系數曲線圖。圖中顯示，在反轉渦和剪切層的作用下，乙烯和空氣的混合效率隨著流向不斷增加，對比4個算例，采用90°為噴射角的噴射方案混合效率明顯優于其它噴射角。從總壓損失系數曲線圖可以看出，支板尾部之前，總壓損失增幅較大，之后趨于平穩，分析原因可能是交錯支板部分產生的激波阻礙氣流流動，之后激波強度降低，總壓損失增加減緩，曲線斜率也就減小［11］。曲線總體呈現噴射角越大，總壓損失越大，這也與實際相符合，證明算例計算結果無誤。在選擇噴射角時可以綜合各種因素選擇最優噴射方案。

2.3多噴孔位置組合的性能研究

圖11為x/D=14切片處乙烯組分等值線云圖，其中用黑色粗線標出的范圍是可燃混合區。可以看到，從乙烯分布位置來看，case2和case3較case1在該處的乙烯分布相對集中于燃燒室中心處，case1主要分布較為靠近燃燒室壁面。從乙烯濃度分布來看，case3在主要分布區域的分布較為均勻，無明顯高濃度或低濃度組分區域，而case1在燃燒室的四角均存在高濃度組分，濃度分布梯度較大。

圖10　不同噴射角混合效率與總壓損失系數曲線

圖12為流向各截面乙烯組分最大濃度（切面上乙烯組分濃度最大值）衰減曲線和可燃混合區Af無量綱化數值曲線圖。在x/D大于11之前，3個case的乙烯最大濃度基本相等，在 x/D大于11之后，case1乙烯最大濃度明顯大于case3和case2，case3和case2最大濃度數值無明顯區別。從流場混合區Af數值曲線可以看出，case3和case2的Af值相近，但case3的Af一直保持最大。在x/D=16處，即凹腔前壁面處，case1的Af出現躍升，出現這種現象是由于乙烯輸運至凹腔，case1中有靠近燃燒室近壁面的高濃度乙烯組分，較case2和case3有更多的乙烯組分在凹腔回流的卷吸作用下進入凹腔內部，凹腔內部漩渦對燃/氣的摻混有極大的促進作用，從而case1摻混效果較之前有明顯的提升，之后的燃燒室為等直段，結構對摻混無顯著影響，此時遠場混合程度的繼續增大則主要由質量擴散控制［12］。

圖11　x/D=14處乙烯組分云圖

圖13為沿流向各截面混合效率和總壓損失系數曲線圖。從混合效率曲線圖可以看出，三者的區別主要集中在流場流經交錯尾部之后，混合效率快速增加，但case3的增幅最大，且在數值上保持最大。由于支板結構未發生改變，故尾部流向渦和展向渦的變化也很小，故可結合圖6中渦的位置，可以得出，下斜支板相當于導流槽，將乙烯組分導入支板尾部流場中心流向渦和展向渦附近，從而增強摻混。從總壓損失系數曲線圖可以看出，總壓損失總體上呈現出case2最大，另外兩個次之。比較case3和case1，二者在x/D =11.5處達到總壓損失系數差值的最大值為1.26%，但case3較case1在該處的混合效率提升約7%，損失較小的總壓卻較大提高了射流的近場對流混合程度。綜上，由單孔噴射擴展到雙側多孔噴射時，乙烯擴散控制混合效率對比情況與單級噴射基本一致，噴孔位置對正下斜支板有利于增強摻混的結論依然成立。

3　結論

文中針對支板/凹腔組合結構超燃燃燒室模型進行數值模擬，通過對比單個噴孔和多個噴孔正對交錯支板不同位置和不同噴射角噴射對乙烯組分在流場中的混合的影響，得出以下結論：

圖12　不同位置噴孔乙烯組分最大濃度和可燃混合區面積無量綱化數值曲線

圖13　不同位置噴孔混合效率與總壓損失系數曲線

（1）無論單噴孔噴射還是多噴孔雙側噴射，噴孔正對交錯支板的下斜區時，犧牲較小總壓可極大的促進乙烯在近場的快速混合和向燃燒室中心區域擴散，可以有效的提高乙烯在燃燒室中的混合效率；

（2）在所選的算例中，噴射角越接近90°，越有利于增強乙烯的摻混效率和縱向穿透深度，同時遠場穿透能力增強，但總壓損失隨著噴射角度的增大而增大，所以噴射角不宜過大。綜合考慮總壓損失以及混合效率，在文中所選的四個噴射角中，確定90°為最優的噴射角。

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Numerical Optimization Analysis of Fuel-air Mixing for a Supersonic Combustor with Strut Injector

WANG Xudong，GAO Feng，WANG Yingyang，ZHANG Han
（Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To analyze effects of injectors on characteristics of supersonic combustor with staggered rear strut and cavity，numerical simulation was carried out to investigate influence of different injection positions for single and multiple injectors on mixing efficiency of fuel.At last，the effects of the injectors on flow filed with different injection angles were explored.The findings of the study are as follows，the injector which facing directly to the declivity of the strut has better effect on spreading of fuel and mixing efficiency，the conclusion also applies to multiple injectors.With injection angle approaching 90°，the penetration depth and distance of the fuel increase.With increasing of injection angle，total pressure loss also increases.

supersonic combustor；strut；injection position；injection angle

V231.3

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.024

2015-02-11

航空科學基金資助

王旭東（1991-），男，江蘇泗陽人，碩士研究生，研究方向：超聲速流動。