超燃燃燒室小肋片/氣動斜坡結構組合研究

2020-11-10 10:24:02王應洋李旭昌張保山

空氣動力學學報 2020年5期

楊宇, 吳達, 王應洋, 李旭昌, 張保山,3

(1. 空軍工程大學防空反導學院, 西安 710051; 2. 空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院, 西安 710051;3. 92095部隊, 臺州 318050)

0 引言

小肋片后低動壓噴射[1]最初是為解決在最大限度前移上游噴孔的條件下防止隔離道中的火焰前傳而設計，后來也被應用到超燃燃燒室的燃料噴注孔前方[2]。通過設置小肋片不同幾何參數(shù)[3]、不同噴射動壓比[4-6],國內外進行了大量冷流實驗。與傳統(tǒng)的橫向噴流相比，小肋片后燃料橫向噴注技術具有很多優(yōu)點：當小肋片高度與噴孔直徑比值較大時，其后方射流的穿透深度能得到很大提高，摻混效果也能得到顯著改善[7]。小肋片后低動壓噴射是較具前景的被動式摻混增強裝置，但由于目前數(shù)值模擬難于突破化學反應動力學的瓶頸[8]，鮮見關于小肋片的熱流場試驗與數(shù)值仿真的報導。

Cox[9]等在1994年提出了氣動斜坡的概念，并進行了一系列試驗與數(shù)值仿真；Jacobsen[10]在研究了九孔氣動斜坡流場結構后，提出了結構更簡單的四孔氣動斜坡；2010年吳海燕等分別對九孔、四孔陣列的氣動斜坡進行實驗研究與結構數(shù)值優(yōu)化[11-12]；北航閆明磊[13]等對乙烯超燃燃燒室四孔陣列氣動斜坡/燃氣發(fā)生器的組合進行了大量冷、熱流試驗與數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣動斜坡/燃氣發(fā)生器組合結構使摻混效率由單獨氣動斜坡噴注器情況下的60%提高到了75%。2012年郭金鑫、王丹等開展了對支板和凹腔結構組合的數(shù)值模擬和試驗研究[14-15]，得到了不同組合位置和支板結構對燃燒室性能的影響規(guī)律。近期，吳達、楊文佳等又進行了對懸臂斜坡與凹腔組合結構和肋片與凹腔的組合結構的數(shù)值模擬，研究了組合結構的不同組合距離和組合方式對燃燒室性能的影響規(guī)律[16-18]。早在1999年，Eklund[19]就已經(jīng)將氣動斜坡與凹腔進行了組合研究。傳統(tǒng)支板上的噴孔陣列也隸屬于氣動斜坡與其它噴注裝置組合的概念，因此，考慮將氣動斜坡與其它摻混裝置的結構組合進行更深入的研究。

在高飛行馬赫數(shù)條件下，小肋片與氣動斜坡等對流場干擾較小的摻混技術將有較大應用優(yōu)勢。小肋片對燃料組分的有效抬升能彌補氣動斜坡穿透深度不理想的缺點，氣動斜坡較好的近場摻混特性能彌補小肋片對后方射流展向擴散的削弱作用。但同時存在單個或多個小肋片與氣動斜坡組合的超聲速流場涉及復雜的耦合作用，許多機理性的問題尚待研究，查閱國內外文獻目前還未發(fā)現(xiàn)對此組合的報導。由于直連式試驗時間與經(jīng)濟成本巨大[20-21]，通過數(shù)值模擬來進行預先設計和機理分析就顯得尤為重要。因此，本文將小肋片與氣動斜坡進行結構組合數(shù)值分析，旨在設計出一種有效增強摻混、提高燃燒效率的燃料噴注方案。

1 模型建立與算例驗證

圖1 超燃燃燒室結構示意圖與局部網(wǎng)格示意圖(單位: mm)Fig.1 Sketch of the scramjet combustor and local grids of scramjet combustor model (unit: mm)

kf=Arexp(-Ea/T)[C2H4]nC2H4[O2]nO2

(1)

其中，Ar為指前因子，Ea為活化能，βr為溫度指數(shù)，化學反應式及各參數(shù)的取值如表1。

表1 乙烯單步總包化學反應參數(shù)表Table 1 Chemical reaction parameters of single step package of ethylene

相關參數(shù)的定義：

(1) 定義當量比Φ[23]為：

(2)

其中：F/A為燃料與空氣質量流率之比，定義流場混合區(qū)Ap為當量比Φ≥0.2的區(qū)域，可燃混合區(qū)Af為當量比0.4≤Φ≤5.5的區(qū)域。

(2) 為定量分析不同噴孔形狀的混合效率，定義燃料混合效率ηm[1]：

(3)

(4)

(5)

這里，α是燃料質量分數(shù)，αreact是剛好能夠發(fā)生化學反應時所對應的燃油質量分數(shù)，αstoich是達到化學恰當比時(Φ=1)燃料質量分數(shù)，對于乙烯αstoich=0.0635。

(3) 定義最大濃度衰減曲線[24]：截面最大濃度值αmax隨無量綱化的流向距離變化的曲線，能有效反映燃料最大濃度值的下降速率與燃料摻混的快慢。

(6)

(7)

(5) 本文采用Eklund[15]等的燃燒效率的計算方法：

(8)

(9)

式中，g0為重力加速度。

文獻[8]指出：由于對超聲速燃燒機理認識尚不夠成熟，熱流場的數(shù)值仿真只能模擬出大致趨勢。但冷流機理相對簡單，冷流場數(shù)值模擬較為精確。因此，本文主要對帶小肋片/氣動斜坡不同組合方式的全構型算例進行冷流研究，補充冷流結果差異明顯算例的熱流場數(shù)值模擬。目前，有化學反應流的數(shù)值仿真有三種點火方式：由美國弗吉尼亞大學主要研究的等離子點火器點火、由北航在前者基礎上改進的燃氣發(fā)生器點火、激波誘導點火。與等離子體點火相比，燃氣發(fā)生器點火結構更為簡單、點火穩(wěn)焰效果更好；其次激波誘導點火對于高馬赫數(shù)飛行而言也具有較大現(xiàn)實意義[26]。為充分考慮肋片/氣動斜坡噴注方式在不同點火條件下的適用性，設置了燃氣發(fā)生器與激波誘導兩種點火方式的化學反應算例。

為充分對比不同組合方式流場特性，一共設置了12個算例。圖2是小肋片/氣動斜坡不同結構組合方式與Case 4局部網(wǎng)格示意圖。Case 1為僅帶傳統(tǒng)氣動斜坡的算例，噴射角度與文獻[21]中的算例一致，Case 2將Case 1中的噴孔均改為垂直噴射，Case 3將四孔展向排列，垂直噴射。Case 4～Case 6分別為在Case 1～Case 3基礎上增設了小肋片，其結構圖如圖3所示，小肋片與各噴孔陣列最前端的噴孔流向距離保持2d(d=1.4 mm為噴孔直徑)。Case 1+～Case 6+分別為在Case 1～Case 6模型后設置了燃氣發(fā)生器，燃氣發(fā)生器距離第一排噴孔20d，旨在對燃燒室進行點火與維持火焰穩(wěn)定。各算例設置方式見表2。各冷流算例來流入口總溫1200 K，其余參數(shù)條件與文獻[21]一致。對于各熱流算例，燃氣發(fā)生器點火的算例為Case 1+與Case 6+，來流總溫為1200 K；激波誘導點火的算例不帶燃氣發(fā)生器，算例分別為Case 1與Case 6，來流總溫為1800 K。其余參數(shù)條件為：來流馬赫數(shù)Ma=2，總壓pt=500 kPa，靜壓p=108 kPa，氣流成分的質量分數(shù)αO2=23.2%，αN2=68.8%，αH2O=8%。

圖2 小肋片/氣動斜坡不同結構組合方式與局部網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic diagram of different structural combinations of small pylon/aerodynamic slopes and local grids

圖3 小肋片結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of small pylon

表2 算例設置方式表Table 2 Example setting mode

選擇文獻[21]的試驗模型作為氣動斜坡驗證算例(即算例Case 1+)。圖4(a,b)是冷流場試驗紋影圖與數(shù)值模擬壓強云圖的對比，流場結構一致。圖4(c)是數(shù)值模擬出的熱流場燃燒室上壁面壓力值與熱流試驗值對比。由于來流與氣動斜坡之間產(chǎn)生的激波相互交錯，從而導致上壁面靜壓曲線振蕩。從圖中可以看出數(shù)值模擬出的壓強曲線與實驗值整體吻合較好，說明湍流模型、組分輸運模型與化學反應模型選取的合理性。

(a) 試驗紋影圖

(b) 計算馬赫數(shù)云圖

2 小肋片/氣動斜坡組合冷流場分析

2.1 不帶燃氣發(fā)生器算例冷流場分析

為定性分析不同算例冷流流場特性，圖5展示了x=0.4 m、0.5 m、0.6 m截面上組分濃度0.03≤α≤0.15的乙烯組分云圖以及流線圖(由于結構對稱，只顯示一半的計算域)。與Case 1相比，Case 4算例中引入了小肋片，乙烯組分在展向上擴展有所改善。與Case 1相比，Case 4中的氣動斜坡改為垂直噴射，x=0.6 m截面上，高濃度乙烯組分明顯減少，說明垂直噴射帶來較好的摻混特性。與Case 5相比，Case 6對噴孔陣列進行了重新設置，乙烯組分展向擴展程度明顯改善，切片中心高濃度乙烯組分也明顯減少。從流線圖還可發(fā)現(xiàn)，流向渦中心位置與高濃度組分位置相關，流向渦在展向上的不同位置對燃料組分擴散能力具有重大影響。其次也可以看出，小肋片對氣動斜坡的遠場穿透深度影響較小。

圖5 Case 1、Case 4、Case 5和Case 6狀態(tài)下，x=0.4, 0.5, 0.6 m截面處的乙烯組分云圖與流線圖Fig.5 Ethylene component contour and streamline diagram of Case 1, Case 4, Case 5 and Case 6 at x=0.4, 0.5, 0.6 m

2.2 帶燃氣發(fā)生器算例冷流場分析

圖6是帶燃氣發(fā)生器不同算例在x=0.4 m、0.5 m、0.6 m截面上的流線圖與組分濃度0.03≤α≤0.15的乙烯組分云圖。從流線圖可以看出，各算例遠場流向渦發(fā)展情況總體差異性并不大。從云圖切片容易發(fā)現(xiàn)，Case 1+在x=0.6 m截面上還存在組分濃度大于0.15的乙烯組分，其余算例已經(jīng)不存在濃度大于0.15的乙烯組分。說明小肋片有效促進了燃料組分的擴散。x=0.5 m截面上，與Case 4+相比，Case 5+、Case 6+已經(jīng)不存在濃度大于0.15的乙烯組分，說明垂直噴射對摻混增強效果明顯。x=0.4 m截面上，對比Case 5+、Case 6+，可知Case 6+高濃度乙烯組分區(qū)域更小。綜上所述，僅定性分析而言，乙烯組分擴散速度：Case 6+> Case 5+> Case 4+> Case 1+，其次Case 6+在展向的擴展寬度較其他算例顯著。對比圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)，引入燃氣發(fā)生器后對應算例的乙烯組分展向與縱向擴展寬度、摻混效果均得到了較大提高。

圖6 Case 1+、Case 4+、Case 5+和Case 6+狀態(tài)下，x=0.4, 0.5, 0.6 m截面處的乙烯組分云圖與流線圖Fig.6 Ethylene component contour and streamline diagram of Case 1+, Case 4+, Case 5+ and Case 6+ at x=0.4, 0.5, 0.6 m

圖7是不同算例射流流線圖，氣動斜坡流線顏色由速度值標定。氣動斜坡射流從噴孔噴出后在遇到燃氣發(fā)生器射流后迅速上揚，上揚一段距離后又產(chǎn)生一定程度下降。從流線顏色可以發(fā)現(xiàn)，無小肋片的算例射流流速最快，傾斜噴射射流流速比垂直噴射射流流速快。射流流速越快，燃料組分在流場中的停留時間越短，射流與來流作用程度越弱，可能不利于充分摻混。從Case 5+與Case 6+可看出，由于小肋片與垂直噴射的作用，氣動斜坡射流在噴出后，燃料組分得到較快抬升，使得射流流線分布于燃氣發(fā)生器射流流線之上。燃氣發(fā)生器上方來流質量流率增大，這將阻礙燃氣發(fā)生器射流的抬升，這解釋了圖5中Case 5+與Case 6+靠近壁面的乙烯組分較多的原因。

圖7 Case 1+、Case 4+、Case 5+和Case 6+狀態(tài)下的射流流線圖Fig.7 Jet streamline diagrams of Case 1+, Case 4+, Case 5+ and Case 6+

結合圖8，混合效率與可燃混合區(qū)面積所展現(xiàn)出來的的摻混差異一致。在x=0.4～0.6 m范圍內摻混效果：Case 6> Case 5> Case 4、Case 2> Case 3> Case 1，在Case 1的基礎上加上小肋片后，Case 4近場摻混效果得到改善，但出口截面上摻混效果幾乎一致。Case 2將Case 1中的傾斜噴射改為垂直噴射后，摻混效果得到明顯改善。Case 3由于射流分散，穿透深度較低，流道下壁面燃料組分較多，摻混效果較差。從圖8(c)得出的結論與以上一致。在工程實際應用中，較好的近場摻混效果有利于迅速點火，對于熱流場而言，冷流的遠場摻混效果意義不大。從圖8(d)來看，Case 1、Case 4總壓損失差異小，Case 2、Case 3、Case 5與Case 6總壓損失差異小，但Case 2比Case 1總壓損失大，說明肋片并不會引入較大總壓損失，但能改善摻混性能；垂直噴射能較大的提高摻混性能，但會產(chǎn)生額外的總壓損失。在x=1.3 m截面上，Case 6+混合效率最好，但從圖8(c)顯示來看，不同算例的Af值差距沿程減小。從圖8(b)可以看出，摻混效率差異最為明顯的是x=0.33～0.7 m這一段。在該距離范圍內有效地點火與燃燒是利用摻混優(yōu)勢的保證。引入燃氣發(fā)生器后，Case 1+～ Case 6+摻混效果均比對應的Case 1～ Case 6好，但總壓損失大。綜上所述，各算例總壓損失差異主要來源于垂直噴射與燃氣發(fā)生器的引入，有無小肋片對流場總壓損失影響不大，但小肋片和燃氣發(fā)生器均能改善流場摻混特性；其次，氣動斜坡噴孔陣列分布方式對流場特性具有較大影響，較好的排列方式應充分利用肋片后的低壓區(qū)，盡可能地降低總壓損失提高近場摻混效率。要評估不同噴注方式的綜合性能還應進一步考慮熱流場的燃燒效率。

圖8 Case 1～Case 6和Case 1+～Case 6+狀態(tài)下,混合效率、最大乙烯組分濃度衰減、可燃混合區(qū)面積和總壓損失系數(shù)對比曲線Fig.8 Comparison of mixing efficiency, maximum ethylene component concentration attenuation, combustible mixing zone area and total pressure loss coefficient of Case 1 ～ Case 6 and Case 1+～Case 6+

3 小肋片/氣動斜坡組合熱流場分析

由于熱流場仿真的精確性有限，僅對冷流效果差異較大的Case 1與Case 6、Case 1+與Case 6+進行熱流場仿真，點火方式分別采用激波誘導點火與燃氣發(fā)生器點火。本節(jié)對仿真結果進行了定性、機理與定量分析。

3.1 不帶燃氣發(fā)生器的熱流場分析

圖9是二氧化碳組分云圖與射流流線圖，流線圖顏色由乙烯組分濃度值標定。從射流流線可看出，在x=0.35 m后，Case 1的乙烯組分濃度比Case 6高，說明Case 6乙烯組分擴散較快，并且更快地參與了燃燒。Case 1中流線較為集中，Case 6中流線在流道中分散得更為均勻。從對應截面上的二氧化碳組分可發(fā)現(xiàn)，相比于Case 1，Case 6高濃度值區(qū)域較大，并且分布得更為均勻，說明Case 6熱流場燃燒性能較好。

圖9 Case 1和Case 6在x=0.35,0.45,0.55 m截面上的組分云圖與射流流線圖Fig.9 Carbon dioxide component contour and jet streamline diagram of Case 1 and Case 6 at x=0.35, 0.45, 0.55 m

3.2 帶燃氣發(fā)生器的熱流場分析

為定性分析帶燃氣發(fā)生器的不同算例熱流場差異。圖10顯示了Case 1+與Case 6+空間乙烯組分云圖與下壁面二氧化碳組分云圖。對比乙烯組分云圖可以發(fā)現(xiàn)，射流從氣動斜坡噴出后，Case 6+燃料組分得到迅速擴散。在x=0.9 m之后，與Case 1+相比，Case 6+乙烯組分變得更為稀薄，并且在展向上擴散得更為充分。說明Case 6+中具有更多的乙烯組分參與了化學反應，且燃燒室流道得到了充分的利用。從燃燒室下壁面的二氧化碳組分云圖可看出，Case 1+中，氣動斜坡之前約0.1 m靠近燃燒室側壁面存在二氧化碳組分，說明火焰產(chǎn)生了前傳。Case 6+中火焰前傳程度較小，但噴孔陣列后方壁面存在較多二氧化碳組分，說明產(chǎn)生了較大范圍的貼壁燃燒。這可能是由于小肋片對燃氣發(fā)生器的抬升作用產(chǎn)生了負影響。因此在進一步研究中，可考慮在燃氣發(fā)生器前引入小肋片并重新配置噴孔陣列。

(a) 乙烯組分云圖

(b) 下壁面二氧化碳組分云圖

為定量分析不同算例熱流場特性，圖11顯示了Case 1、Case 6、Case 1+與Case 6+熱流場的燃燒效率與總壓損失曲線。Case 6的近場燃燒效率優(yōu)勢明顯，但遠場優(yōu)勢不明顯。在出口截面相比Case 1，Case 6能提高約5%的燃燒效率，但總壓損失并沒因此下降。說明噴射方式的優(yōu)化所提高的燃燒效率所帶來的額外總壓恢復系數(shù)還不能抵消掉由于垂直噴射引入的額外總壓損失。這可能是由于燃料噴射當量比較低，Case 6噴射方式摻混優(yōu)化效果未能充分發(fā)揮。從燃燒效率值可以發(fā)現(xiàn)，在x=1.3 m截面上，Case 6+的燃燒效率比Case 1+提高了大約9%。這對超燃沖壓發(fā)動機而言具有重大意義。在x=0.5 m之前，Case 6+的總壓損失系數(shù)比Case 1+大，但在x=0.5 m之后，Case 6+的總壓損失系數(shù)比Case 1+小。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)可能是由于高摻混效率使速度降低導致摩擦損失減小或激波損失減小，提高了總壓恢復系數(shù)。

(a) 燃燒效率

(b) 總壓損失系數(shù)

表3給出了不同算例燃燒室出口燃燒效率、比沖量、推力和相對于Case 1的推力增加百分比。相比Case 1而言，在氣動斜坡噴嘴陣列前加入小肋片并重新布置噴孔陣列后，燃燒效率得到4.4%的提升，推力增加5.26%。引入燃氣發(fā)生器后，燃燒效率得到大幅度提升，Case 1+與Case 6+相對于Case 1而言，推力均增加了100%以上，Case 6+比Case 1+燃燒效率提高了8.53%。雖然不同點火方式的算例可比性不強，但可從相同點火方式不同算例間對比看出：小肋片/氣動斜坡的組合方式對燃燒效率的提高有較大貢獻，而在采用燃氣發(fā)生器的點火方式中，提高作用更為顯著。