帶并聯凹腔的超燃燃燒室數值研究*

高 峰,王旭東,王宏宇,黃桂彬

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

帶并聯凹腔的超燃燃燒室數值研究*

高 峰,王旭東,王宏宇,黃桂彬

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

采用離散相模型對帶并聯凹腔結構的煤油超燃燃燒室進行數值模擬,分析了正對并聯凹腔和交錯并聯凹腔對支板直接噴入煤油的燃燒室燃燒性能的影響。結果表明,并聯凹腔會使煤油進一步向展向擴展,混合效率得到明顯提高;正對并聯凹腔能極大提升煤油的穿透深度,拓寬煤油的亞聲速燃燒范圍,而對燃燒條件下總壓損失系數影響不大;交錯并聯布置的凹腔可進一步增加煤油的混合效果,熱力喉道的位置后移,亞聲速燃燒范圍擴大,燃燒效率提高。

超燃燃燒室;并聯凹腔;燃燒性能;數值模擬

0 引言

超燃沖壓發動機在軍事和航空航天領域中的重要性日益突出,受到世界范圍的廣泛關注。超聲速燃燒室的設計是超燃沖壓發動機設計的關鍵課題之一。當前,超燃燃燒室性能提升主要面臨兩個挑戰:一是由于超聲速氣流在燃燒室內停留時間僅為2 ms左右,而燃料本身存在點火延遲時間,燃料與空氣的混合過程必須在極短的時間內完成;二是可壓縮效應隨馬赫數增大而加劇,明顯抑制混合層在縱向的擴展,很難在發動機內實現火焰穩定和高效的組織燃燒[1]。大量研究表明,燃燒室凹腔結構能夠利用渦流促進湍流混合,以實現燃料迅速摻混,同時增強并穩定燃燒[2-3]。

盡管國內外的研究者對多凹腔構型在不同來流條件下的流場進行了諸多研究,但并未對其增強混合、穩定燃燒的機制進行定量化、理論化的對比說明[4-6],涉及使用煤油作為燃料的超聲速混合燃燒問題的數值研究還很少,還鮮見針對支板直接噴注煤油燃料條件下,凹腔不同并聯方式對燃燒室燃燒特性影響的數值研究。

液態煤油在燃燒室中伴隨著霧化蒸發過程,因此與空氣充分混合的難度大大提高。支板-凹腔組合結構能夠同時發揮支板和凹腔對燃料混合燃燒的促進作用[7],所以文中以在研的以煤油為燃料的帶有支板-凹腔組合結構的超燃燃燒室為研究對象,主要研究凹腔并聯布置方式對燃燒室燃燒特性的影響。

1 計算模型與數值方法描述

1.1 計算模型

研究模型為文獻[8]中的直連式試驗臺超燃燃燒室模型,在支板側壁分別設置兩排噴口,由支板直接噴注煤油燃料,下游支板尾部與凹腔前沿平齊[9],燃燒室擴張段設置在凹腔下游。圖1為超燃燃燒室幾何尺寸。

單凹腔、串聯凹腔與并聯凹腔對火焰穩定的研究已經做了大量研究,但往往是針對凹腔上游噴射氣體燃料展開的[10]。為研究正對并聯凹腔和錯位并聯凹腔對燃燒室燃燒特性產生的影響,文中保持原模型的基準構型凹腔(Basic)不變,在下壁面分別設置長深比為12和6的正對并聯布置(0)和交錯并聯布置(I)凹腔算例,如表1所示。

圖1 超燃燃燒室幾何尺寸

表1 并聯方式的定義與算例圖示

1.2 數值方法

燃燒室模型為對稱結構,取模型的一半進行網格劃分,將其分為若干個子塊,分別劃分為結構化網格,對凹腔前后沿做加密處理。以圖2所示基準構型為例,網格的第一層距離壁面為0.025 mm,網格總數約為300萬。

圖2 下游支板凹腔組合結構局部網格

燃燒室入口采用質量流率邊界條件,在來流Ma=2的條件下給定入口初始條件如表2,燃燒室對稱面設置為對稱邊界條件,出口為超聲速出口,壁面為絕熱無滑移邊界條件。燃燒室煤油的入口條件根據煤油的物性參數、噴口幾何尺寸和當量比確定。采用SSTk-ω模型封閉方程組,求解三維可壓縮雷諾平均N-S方程。在拉格朗日坐標系下模擬煤油的流動,假設煤油為0.4 mm的均勻液滴,采用Wave模型模擬其霧化蒸發過程,煤油與主流空氣參數進行耦合計算。

表2 燃燒室入口初始條件

1.3 算例驗證

為驗證計算方法對燃燒流場預測的有效性,以基準構型為基礎,取燃燒室下游支板煤油當量比為0.5作為計算條件,來流條件為初始值,選取了絕熱壁面和恒溫壁面作為計算的壁面邊界條件,恒溫壁面溫度取為1 000 K。圖3給出了燃燒室側壁面燃燒工況試驗數據和仿真壓強曲線[11]。由圖3可知,采用恒溫壁面作為邊界條件的計算值與實驗值吻合較好,而以絕熱壁面作為邊界條件的誤差較大,在250～1 250 mm范圍內遠遠高出實驗值。分別選取壁面溫度為300 K、500 K、1 500 K作為計算條件,發現計算得到的壁面壓強曲線十分接近,壁面溫度對煤油燃燒的影響不大。所以,文中后續計算中均采用恒溫壁面(T=1 000 K)作為邊界條件。

圖3 燃燒室側壁面燃燒工況試驗數據和仿真壓強曲線

2 計算結果及分析

2.1 并聯凹腔對煤油分布的影響

圖4給出了凹腔正對并聯布置與交錯并聯布置x=1.5 m截面(位于凹腔之后)煤油質量分數等值線圖,反映了凹腔后煤油的分布情況。由圖4可知,基準構型只有一個凹腔,在凹腔作用下,煤油略向燃燒室展向擴展,煤油集中在燃燒室的中心位置,穿透深度較低。與單凹腔相比,凹腔正對并聯布置與交錯并聯布置使煤油燃料的穿透深度提升,拓寬了與氧氣參加反應的煤油當量比范圍。凹腔正對并聯布置時,下壁面的凹腔發揮了主要作用,使靠近下壁面的燃料組分向展向充分擴散,將煤油組分向燃燒室上壁面抬升,煤油向燃燒室上方聚集,且長深比為6時抬升效果更加明顯,這可能是由于布置在下壁面的凹腔改變了流體流向,使煤油組分向上壁面輸運。凹腔交錯并聯布置時,上下壁面的凹腔均發揮了關鍵作用,使煤油組分在燃燒室上下壁面同時向展向擴散,煤油分布相對比較均勻。

圖4 并聯凹腔燃燒室煤油組分等值線圖(x=1.5 m)

圖5為凹腔正對并聯布置和交錯并聯布置燃燒室冷流馬赫數云圖。由圖5可知,凹腔正對并聯布置與交錯并聯布置的流場較為復雜,激波較多,會引起較大的總壓損失。由計算得,雙凹腔各算例之間總壓損失相差不大,與單凹腔相比卻增大了約25%。凹腔正對并聯布置時,靠近燃燒室上壁面Ma較大,由于隨流作用會使煤油組分向上游輸運。凹腔交錯并聯布置時,燃燒室中心Ma較大,燃燒室上壁面后沿產生的斜激波直接作用于下游凹腔產生的剪切層,使剪切層發生彎曲變形,一定程度上對混合產生了促進作用。

圖6為各算例在冷流條件下混合效率曲線。由圖6可知,采用凹腔正對并聯布置方式和交錯并聯布置方式都可以明顯地提高煤油的混合效率,這是因為無論采用何種并聯方式,均會在流向渦作用下使煤油進一步向展向擴展,增大了煤油與空氣的接觸面積,同時增加了燃燒室內的湍流強度。在x=1.5 m前,凹腔正對并聯布置的混合效果要優于交錯并聯布置的凹腔,LD_6_0的混合效率略高;而x=1.5 m后,凹腔交錯并聯時的混合效率超過了正對并聯,LD_6_I的混合效率略高。由此可以推斷,正對并聯凹腔增加了近場燃料的混合而交錯并聯凹腔增加了遠場燃料的混合,并且長深比為6時(高度增加)混合效果更好。

圖5 并聯凹腔燃燒室冷流馬赫數云圖

圖6 混合效率曲線

2.2 帶并聯凹腔的燃燒室的燃燒特性分析

圖7為對稱截面、y=0.03 m和y=0.08 m截面處Ma云圖。云圖面積表示的是Ma≥1,即超聲速的范圍,反映了各算例熱力喉道的位置。由圖7可知,凹腔正對并聯布置的熱力喉道出現在凹腔之后,長深比變化對熱力喉道的位置幾乎沒有影響,而LD_12_0的Ma分布比較均勻,LD_12_0的高馬赫數范圍出現在燃燒室下壁面,說明長深比對燃燒馬赫數分布產生一定的影響,兩并聯凹腔之間為亞聲速燃燒區。凹腔交錯并聯使熱力喉道位置后移,大約移動到下壁面凹腔后沿位置,大大拓寬了亞聲速區域,使亞聲速燃燒范圍增加,也可使煤油的駐留時間更長,燃燒更加充分。但凹腔交錯并聯布置使速度分布變得不均勻,LD_12_I和LD_6_I的高馬赫數區均出現在燃燒室的下壁面附近。

圖7 并聯凹腔燃燒室熱流場馬赫數云圖

圖8為各算例的Ma加權平均曲線,也反映了燃燒室中的Ma變化情況,曲線反映的結果與圖7反映的是一致的。與基準構型相比,凹腔正對并聯布置和交錯并聯均能拓寬煤油的亞聲速燃燒范圍,且交錯并聯可進一步使熱力喉道的位置后移,亞聲速燃燒范圍更廣。

圖8 并聯凹腔燃燒室熱流場馬赫數曲線圖

表3為冷流條件和燃燒條件下各算例總壓恢復系數。燃燒條件下的總壓恢復系數較小，說明燃燒產生一定的燃燒阻力。冷流條件下，并聯凹腔結構燃燒室總壓恢復系數均小于單凹腔結構的燃燒室，這是因為增加一個凹腔會帶來一定的阻力。而燃燒條件下，與單凹腔結構的燃燒室相比，并聯凹腔結構的 燃燒室總壓恢復系數變化不大。

表3 各算例總壓恢復系數

圖9為各算例比沖量曲線。與單凹腔相比,并聯凹腔比沖量也明顯提高。x=1.6～1.7 m范圍內,正對并聯凹腔的比沖量明顯較高,說明燃燒更為充分,且LD_6_0比LD_12_0的燃燒更為充分。x=1.7～1.8 m范圍內,凹腔交錯并聯布置方式比沖量較高,說明在下壁凹腔的附近,燃燒又變得充分,同樣LD_6_I比LD_12_I的燃燒更為充分。再次證明,小長深比(深度大)的凹腔在促進混合燃燒方面更具優勢。

圖9 比沖量曲線

表4給出了算得燃燒室出口燃燒效率、馬赫數、推力的數值和并聯凹腔相對于單凹腔推力增加的百分比。相比單凹腔而言,并聯凹腔燃燒室出口燃燒效率、比沖量和推力均有明顯的提升。凹腔交錯并聯的布置方式比并聯布置方式的推力增加的幅度較大,長深比為12和6時分別增加了12.5%和18.75%,而凹腔正對并聯分別增加6.3%和3.6%。由此可見,帶有交錯并聯凹腔的燃燒室能夠產生更高的推力,且交錯并聯長深比為6的凹腔比長深比為12的凹腔能夠產生更高的推力,而凹腔正對并聯布置時長深比為12時更占優勢。

表4 各算例出口截面燃燒效率推力及比沖量和相對單凹腔推力增加

3 結論

1)與單凹腔相比,并聯凹腔使煤油燃料的穿透深度大大提升,拓寬了與氧氣參加反應的煤油當量比范圍,使煤油更容易發生燃燒。凹腔正對并聯布置時,下壁面的凹腔發揮了主要作用,使靠近下壁面的燃料組分向展向充分擴散。而凹腔交錯并聯布置時,上下壁面的凹腔均發揮了關鍵作用,使煤油組分在燃燒室上下壁面同時向展向擴散。

2)凹腔的交錯并聯可進一步增加燃燒室內燃料的混合效果,使燃燒室內的燃料沿流道可以進一步分散,并且長深比為6時(高度增加)混合效果更好。

3)冷流條件下,并聯凹腔結構燃燒室總壓恢復系數小于單凹腔結構的燃燒室;燃燒條件下,帶有并聯凹腔結構的燃燒室總壓恢復系數略大于單凹腔結構的燃燒室,凹腔交錯并聯的燃燒室能夠產生更高的推力和比沖量。正對并聯凹腔可以拓寬與氧氣參加反應的煤油當量比范圍,增大煤油的亞聲速燃燒范圍,而凹腔交錯并聯時使熱力喉道的位置進一步后移,亞聲速燃燒范圍進一步擴大,從而增大了煤油的燃燒效率。

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NumericalStudyonSupersonicCombustorusingParallelCavity

GAO Feng,WANG Xudong,WANG Hongyu,HUANG Guibin

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

Numerical simulation with discrete phase model was made on supersonic combustor with a parallel cavity structure.The effect of the cavity paralleled in different ways on kerosene mixture characteristics was analyzed.The results show that the mixture efficiency of kerosene increasing obviously with parallel cavity.The ordinary parallel cavity extends equivalent ratio range,enlarging the scope of subsonic combustion.Compared with ordinary parallel cavity,the cavity dislocated in parallel contributes to the mixture of fuel and air with higher mixture efficiency,putting the thermal throat backward the combustor,further enlarging subsonic combustion zone,increasing combustion efficiency.

scramjet combustor; parallel cavity; combustion characteristics; numerical simulation

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.025

2016-07-11

高峰(1965-),男,安徽鳳陽人,教授,碩士生導師,研究方向:火箭發動機推進理論。

V231.3

A