乙烯超燃燃燒室菱形孔射流的數值優化*

張 涵,吳 達,王應洋,王旭東

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

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乙烯超燃燃燒室菱形孔射流的數值優化*

張 涵,吳 達,王應洋,王旭東

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

為分析相同面積條件下菱形孔的不同長寬比、不同偏轉角度對超燃燃燒室中的流動特性影響,對低動壓噴射的超聲速流場進行了數值模擬。研究結果表明:在計算的6種長寬比構型中,長寬比為5構型燃料穿透能力和摻混特性最強,但此時對稱面上總壓損失變大;在計算的3種偏轉角構型中,偏轉角度為30°構型的燃料摻混特性和燃料的穿透能力最強,但此構型在遠流場處抬升能力變弱,羽流質量中心高度出現下降。

超燃燃燒室;菱形孔;摻混增強;數值模擬

0 引言

超燃沖壓發動機作為高超聲速發動機最為理想的動力裝置之一,其技術是目前各國研究的關鍵技術[1-2]。由于超聲速入口氣流速度較快,摻混氣體在燃燒室停留時間非常短,超燃燃燒室內的燃料摻混成為燃燒室研究的難點[3-4]。壁面射流由于結構簡單、總壓損失小被很多研究者青睞。楊銀軍等研究不同噴注角度對超聲速來流的影響,發現隨著噴流角度增大,摻混效率和穿透深度增大,但總壓損失不夠理想[5];Ogawa等通過數值分析了六種不同噴孔形狀壁面射流的流場特性差異,指出前方帶銳角的噴孔具有良好的穿透性以及菱形噴孔在增強摻混與提高穿透深度方面具有良好的性能[6];Barber等提出楔形-半圓組合形狀的噴孔在流場特性上比較具有優勢[7];張丁午等研究菱形結構噴孔與普通圓孔的差異,得出菱形孔在單側壁面上具有一定優勢的結論[8]。文中在文獻[8]基礎上對菱形結構的噴孔進行進一步研究,討論不同長寬比的菱形噴孔的流場特性比較以及菱形結構噴孔噴射偏轉角度對流場特性的影響。

1 算例設置與網格劃分

1.1 模型與網格劃分

超聲速燃燒室為總長119 mm的矩形截面的自由通道,矩形截面為20 mm×32 mm。噴孔距離燃燒室入口35 mm,噴孔的長設為a,寬設為b,長寬比設為ω,菱形孔偏轉角度設為β。為定量分析菱形噴孔不同長寬比、不同偏轉夾角的流場特性差異,文中設置了長寬比ω為3、5、7、1/3、1/5、1/7六個算例,表示為case1至case6;針對不同的長寬比還分別設置了菱形孔偏轉角度α為0°、30°、60°三個算例,表示為case2-1至case2-3(為排除其他耦合因素對結果的影響,所有噴孔構型的面積Ai均為3.079 mm2)。圖1(a)是二維燃燒室結構示意圖,圖1(b)為菱形噴孔的結構示意圖,算例來流Ma=2,總壓pt=850 kPa,靜壓p=108 kPa,總溫Tt=300 K,氣流成分的質量分數αO2=23.2%,αN2=76.8%,噴孔處乙烯噴射總壓pt=20 000 kPa,靜壓p=1 400 kPa,總溫Tt=300 K。

圖1 燃燒室及菱形噴孔結構示意圖(mm)

選用SSTκ-ω湍流模型,對所有計算域進行結構化網格劃分。各噴孔x方向上的質心位置一致,以消除噴孔出口距離不同帶來的耦合影響因素,在壁面進行網格加密,所有計算域均采用結構化網格,各算例網格數200萬左右。

1.2 網格無關性驗證

文中所采用的湍流模型在文獻[8]中已經驗證,得出所選模型適用,故不再贅述。現做網格無關性驗證,為證明200萬網格的有效性,選用case2模型的100萬、150萬、200萬、250萬四個算例,并采用算例可燃區域面積Af[9](Ai為噴孔面積)作為表征參數進行無關性檢驗。如圖2所示,隨著網格數的增大,Af/Ai之間的差值越來越小,200萬和250萬兩個算例所得曲線幾乎相同,說明200萬和250萬算例得出的結果差別可忽略不計,因此選用200萬網格可以滿足計算要求。

圖2 不同網格數Af/Ai比較

2 計算結果與分析

2.1 菱形噴孔不同長寬比射流的流場特性

圖3是case2以及case5構型在x=40 mm、50 mm、80 mm處的乙烯組分云圖,且噴孔偏轉夾角為0°。由于長寬比ω大于1的三種構型的乙烯組分云圖差異不大,故文中選擇ω為5構型作為典型構型,同理長寬比ω小于1的三種構型中選擇ω為1/5作為典型構型。對比兩個構型的噴射乙烯組分情況,發現case2構型流場混合區在x=40 mm、50 mm處對稱面(z=0 mm)最高處向上凸起明顯,而case5構型對稱面最高處無凸起,甚至向下凹陷,且case1乙烯分布最高點在x=50 mm、80 mm處明顯高于case5,說明在靠近噴孔處case1構型沿高度方向擴散比case5構型快。此外case5在接近噴孔處有相當一部分乙烯分布在貼近下壁面處,并不在主流中,這是由于噴孔在z軸上長寬比ω大于1構型明顯大于ω小于1的構型,這對乙烯擴散以及摻混都十分不利。就流場混合區Ap[9]面積與可燃區域Af面積來看,case2構型明顯優于case5構型。綜上分析,case2的構型比case5的構型更能促進燃料與主流的摻混,從而說明長寬比ω大于1的構型流場特性優于長寬比ω小于1的構型。因此,接下來定量分析ω大于1中各個構型的流場特性。

圖3 菱形孔不同長寬比構型的乙烯組分云圖

圖4給出了case2對稱面上壓力云圖和流線圖,可以看出,噴孔內乙烯垂直射入主流,噴孔前緣形成一定強度和角度的弓形激波,在噴孔后緣,形成桶形激波,并形成一定面積的尾跡區。噴孔前緣形狀越鈍,會形成更強的弓形激波,增強噴射燃料與主流的摻混,但總壓損失增大。噴流由于超聲速來流的擠壓發生偏移,主流和噴流的交界面由于剪切作用發生變形,逐漸在交界面處形成大量的漩渦結構,增強射流的摻混。結合上述結論,定量分析菱形孔不同長寬比混合與穿透效果,圖5(a)～圖5(d)分別為可燃混合區Af、流場混合區Ap、總壓損失系數[10]、羽流質量中心高度[11]的曲線圖。從可燃混合區、流場混合區面積、羽流質量中心高度來看,兩種曲線差異一致,為case2>case1>case3,說明摻混特性與穿透深度case2最好,case1次之,case3最差。這是由于在反轉渦和剪切層的作用下,case2形成的旋渦渦量明顯大于其他兩種構型,燃料摻混更充分。從總壓損失系數曲線來看,隨著長寬比的增大,總壓損失變小,說明,隨著長寬比的減小,噴口前緣變鈍,射流前緣弓形激波的強度變強,有更大的弓形激波角度,從而形成更大的總壓損失,但三種構型的總壓損失總體差別不大。綜上分析,case2的構型有更好的流場特性。因此,在接下來對菱形孔不同偏轉角度的研究中,所有燃燒室均采用case2構型的菱形孔噴射。

圖4 對稱面壓力和流線圖

圖5 菱形孔不同長寬比的混合效率與燃料穿透深度

2.2 菱形孔不同偏轉角度構型的流場特性分析

圖6是菱形不同噴孔偏轉角度構型后方流場混合區乙烯組分云圖,且ω為5。對比三種偏轉角度構型的噴射乙烯組分情況,發現case2-2構型在x=40 mm、50 mm處乙烯分布的核心區上升到燃燒室高度的1/3處,而其他兩種構型僅上升到1/5處,且乙烯分布的最高點也稍高于其他兩種構型,說明case2-2的菱形孔噴射時的乙烯在靠近噴孔處沿高度方向擴散更加明顯;展向擴散方面,case2-2、case2-3構型有較為明顯的擴散,而case2-1構型的展向擴散變化不大,在x=80 mm處甚至縮小。此外,case2-3構型在貼近下壁面與側壁面的夾角處,遠離主流,這主要由于菱形孔偏轉角度過大,這對乙烯擴散以及摻混都十分不利。綜上分析,case2-2構型的摻混性能優于其他兩種構型。

圖6 菱形孔不同偏轉角度構型的乙烯組分云圖

圖7是不同偏轉角度構型在x=40 mm、50 mm處的壓力云圖與流線圖。從流線圖可以看出,在后方流場混合區均能產生復雜的流向渦系,流向渦將聚集在壁面附近的燃料卷入到主流中,使得流場得到抬升。比較渦核高度,在x=40 mm處,case2-2構型的一個渦核明顯高于其他兩種構型的渦核高度,其余渦核高度差別不大,說明在此處case2-2構型的流場抬升能力得到了更好地加強;而在x=50 mm處,case2-2構型的渦核高度明顯低于其他兩種構型,且低于在x=40 mm處的渦核高度,其渦核位置甚至貼近于下壁面,說明在此處case2-2構型流向渦對流場的抬升能力變弱。為更好分析三種構型的流場特性,接下來定量分析三種構型的混合和穿透效果。

圖8是菱形孔不同偏轉角度的沿程羽流質量中心高度。總體看,三種構型的羽流質量中心高度大小比較為case2-2>case2-1>case2-3。仔細對比發現,case2-2構型的羽流質量中心高度在x=50 mm之前提升速度明顯強于其他兩種構型,但在之后提升速度有所減緩,甚至出現下降(x=70 mm之后),這與之前對流線圖分析相吻合。綜合分析,case2-2構型的摻混特性和穿透能力更好。

圖7 菱形孔不同偏轉角度的速度矢量圖

圖8 菱形孔不同偏轉角度的預留質量中心高度

圖9 菱形孔不同偏轉角度的摻混效率和總壓損失

圖9(a)～圖9(d)分別為菱形孔不同偏轉角度的可燃混合區Af、流場混合區Ap、沿程摻混效率[12]、總壓損失系數的流線圖。觀察可燃混合區Af、流場混合區Ap、沿程摻混效率,3種構型的摻混特性可表達為:case2-2>case2-3>case2-1,且case2-2構型的摻混特性優勢明顯,這與上述分析結果一致。超聲速燃燒一般為擴散火焰,摻混效果直接決定了燃燒室的燃燒性能[13],因此選擇合適的偏轉角度對燃燒室燃燒性能具有重大意義。從沿程總壓損失來看,總體來說,3種構型的總壓損失差別不大,但在x=50 mm后出現一定差別,總壓損失大小比較為case2-1>case2-3>case2-2。

3 結論

文中針對菱形孔不同長寬比、不同偏轉角度構型的計算結果進行了分析討論,可以總結以下兩點結論:

1)超聲速來流一定時,通過改變菱形孔的長寬比可有效改變燃燒室流場特性,ω大于1構型的流場特性優于ω小于1的流暢特性。ω為5構型的乙烯穿透能力最強,但此時對稱面上弓形激波增大,導致總壓損失變大。

2)菱形孔長寬比一定時,選擇合適的菱形孔偏轉角度可改善燃燒室流場特性,實驗中偏轉角度β為30°構型的燃料摻混能力和燃料的穿透能力最強,因此在工程應用中可通過改變菱形孔偏轉角度改善燃燒室流場特性;菱形孔偏轉角度β為30°構型距離噴孔越遠對流場的抬升能力越弱,于x=70mm處出現了燃料穿透高度下降的現象。

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Numerical Optimization on Supersonic Combustion using Ethylene with Diamond-shaped Orifices

ZHANG Han,WU Da,WANG Yingyang,WANG Xudong

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Based on investigation of influence of diamond-shaped orifices with different length-width ratio and various deflection angle on cold flow characteristics of supersonic combustion, numerical simulation was done for evaluating several patterns for mixing enhancement. It is found that the diamond-shaped orifice whose length-width ratio is 5 behaves the best in mixing efficiency and fuel penetration among these different models, but this kind of diamond-shaped orifice heightens total pressure loss. With increase of deflection angle of injector, penetration height of the fuel and mixing efficiency firstly increase and then decrease. The model with 30 degree deflection angle of injector has the best characteristics, but the distance between the flow field and the injector is longer, the effect on increasing penetration height of the fuel is weaker.

supersonic combustion; diamond-shaped orifice; mixing enhancement; numerical simulation

2015-07-07

航空科學基金(20130196004)資助作者簡介:張涵(1992-),男,山東菏澤人,碩士研究生,研究方向:航空宇航。

V430

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