旁側進氣凹腔燃燒室三維流場對比分析研究

鄭旭陽，劉賽華

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著科技進步和空戰條件變化，先敵發現、先敵發射、先敵命中作為空戰制勝的關鍵，超視距作戰將成為未來空戰的主要作戰方式；第四代隱形戰斗機的不斷發展和服役，將成為戰斗機的主戰產品，其隱身性能要求空空導彈內埋掛裝；傳統低比沖的固體火箭發動機比沖為200～300 s，很難適應未來發展。從第五代空空導彈的總體系統設計角度來講，采用沖壓發動機后，導彈氣動、制導控制和發動機幾個分系統將高度耦合。沖壓發動機具有飛行馬赫數寬(1.5～5.0)、比沖高(固體燃料600～800 s，液體燃料1 200～1 400 s)、全程有動力飛行、高的末端突防速度、高機動、推力可調節、結構簡單、成本低等特點，是未來遠程空空導彈的優選動力裝置。沖壓發動機主要由進氣道、燃燒室和尾噴管3部分組成，自由流經過進氣道減速增壓后，進入沖壓發動機燃燒室，燃燒室將高溫氣體送入尾噴管做功產生推力，導彈在推力作用下飛行。燃燒室在這個過程中承前啟后，其出口氣流的溫度和壓力將對發動機性能產生很大影響。

燃燒室通過火焰穩定器降低進氣道出口的氣流速度，以組織穩定高效燃燒。傳統的燃燒室火焰穩定方式有旋流式火焰穩定技術、突擴式火焰穩定技術和非流線體火焰穩定技術。近年來凹腔火焰穩定技術應用廣泛，多用于超燃沖壓發動機，或以駐渦燃燒室的形式應用于航空發動機，逐漸被用于亞燃沖壓發動機燃燒室。凹腔火焰穩定器能夠實現煤油在低壓條件下的點火和穩定燃燒，且容易與其它火焰穩定器組合使，同時能夠在下游形成較大的回流區，有利于組織高效燃燒。相對簡單的幾何結構也不會導致太大的總壓損失。當前先進導彈采用的沖壓發動機多為第三代的旁側進氣的整體式沖壓發動機，現役空空導彈中唯一采用沖壓發動機為動力裝置的“流星”空空導彈的進氣布局方式也采用的是旁側進氣。

文中將凹腔應用于沖壓發動機旁側進氣燃燒室，采用商用軟件對燃燒室流場進行了4.5，海拔高度26 km三維數值模擬，對比分析了凹腔在360°圓周和270°圓周的流場和性能特點，對凹腔火焰穩定器在旁側進氣燃燒室的應用提供一定參考。

1 物理模型

圖1為幾種典型的使用突擴或凹腔火焰穩定器的燃燒室構型示意圖。

圖1 沖壓發動機典型燃燒室構型示意圖

表1為滿足總體設計要求的旁側進氣突擴凹腔燃燒室的設計結果(方案I)。

表1 旁側進氣突擴凹腔燃燒室設計條件和設計結果(方案I)

圖2所示為旁側進氣突擴凹腔燃燒室三維模型示意圖；圖3所示為旁側進氣突擴凹腔燃燒室二維幾何尺寸示意圖，圖中噴油點表示噴油位置，對于供油設置，采用壁面噴射，噴射方向垂直于氣流方向，供油位置主要有3個典型位置：進氣道彎管等直段(噴油點1)，燃燒室頭部(噴油點2)，凹腔內部(噴油點3)。

圖2 旁側進氣突擴凹腔燃燒室三維模型示意圖

圖3 旁側進氣突擴凹腔燃燒室和供油位置示意圖

考慮到進氣道轉彎前截面到燃燒室入口截面的擴張，選用了適當的彎頭擴張比進行處理。由于未采用導流葉片，計算模型對燃燒室入口前的進氣道彎管等直段延長處理，以獲得較為均勻的60°射流。

旁側進氣燃燒室在雙下側90°布局的情況下，燃燒室三維流場不對稱，凹腔火焰穩定器不必完全按照360°圓周進行設計，為了進一步探究凹腔火焰穩定器對旁側進氣燃燒室三維流場和性能的影響，在方案I的基礎上控制變量，將凹腔改為270°圓周，給出方案II的物理模型，如圖4所示。

圖4 凹腔270°圓周燃燒室模型示意圖

2 燃燒室計算模型與計算方法及驗證

利用ICEM軟件將構型劃分結構化網格，近壁面附近網格加密處理，取燃燒室的一半進行計算，計算區域網格如圖5所示。將結構化網格導入Fluent進行數值計算，計算設置條件如下：基于密度基的隱式求解器；標準-湍流模型；壁面邊界條件采用無滑移壁面邊界條件；質量入口邊界條件；壓力出口邊界條件；對稱邊界條件，取原幾何模型的1/2為計算域；使用顆粒隨機軌道模型處理氣液兩相流問題；燃燒模型為有限速率/渦耗散模型。

圖5 沖壓發動機燃燒室計算網格

為了驗證燃燒室的三維數值計算方法，選擇文獻[15]試驗研究的相關數據與數值模擬計算結果進行對比。表2為試驗結果與三維數值仿真計算結果的對比，燃燒效率計算采用溫升法，可以看出試驗結果與數值仿真結果接近，相對誤差較小，驗證了沖壓發動機燃燒室數值模擬計算方法的可行性。

表2 燃燒室試驗結果與數值仿真結果對比

3 計算結果及分析

采用上述三維數值計算方法，按表3給出的計算狀態進行兩種燃燒室方案的數值計算。為了方便觀察燃燒室的三維流場，取進氣道中心截面進行觀察分析，對于方案II來講，中心截面處于270°凹腔的邊界位置。圖6給出了兩種燃燒室中心截面氣流參數分布云圖，為當量油氣比。可以看出兩種方案在燃燒室頭部均能夠形成大尺寸回流區，說明凹腔構型調整對燃燒室頭部回流區影響不大；同時，兩者均能夠在二次回流區和凹腔附近保持較大的尺寸；在燃燒室下游區域，方案I的低速區尺寸更加明顯。觀察靜溫分布可以看出，360°圓周的凹腔燃燒室氣體和燃料混合得更加充分，火焰在燃燒室下游得到了更加充分的擴散，火焰飽滿，溫度更高且分布更為均勻，能夠組織更為高效的燃燒。觀察靜壓分布看出，二者靜壓分布流場相近，方案II在凹腔區域具有較高的壓力。

表3 飛行狀態下的自由流參數

圖6 ER=0.6時中心截面氣流參數分布對比

為了進一步分析三維流場特點，圖7給出了燃燒室對稱截面氣流參數分布云圖，可以看出方案I在燃燒室下游存在更加明顯的低速區，低速區分布較為均勻，方案II在下游低速區尺寸較小且呈片狀分布；二者在燃燒室頭部以及凹腔內部均能夠形成大尺寸回流區，凹腔附近火焰飽滿，溫度較高，說明凹腔在旁側進氣燃燒室中形成組合火焰穩定器使用時，能夠降低流速，組織高效燃燒。二者燃燒室下游高溫區域與馬赫數云圖中低速區域吻合，方案I在燃燒室下游區域氣體和燃料混合得更加充分，火焰得到了更加充分的擴散，火焰飽滿，溫度更高且分布更為均勻，能夠組織更為高效的燃燒；相較于方案I，方案II凹腔結構的不對稱導致三維流場結構的更加復雜和不對稱，對稱截面中燃燒室下游表現出較為分散的低速區使得溫度場分布不夠均勻。二者靜壓分布流場相近，在凹腔區域均具有較高的壓力。

圖7 ER=0.6時對稱截面氣流參數分布對比

圖8給出了7個燃燒室沿軸向截面位置示意圖，圖9和圖10給出了兩種方案沿程橫截面氣流參數分布對比。

圖8 x1～x7截面位置示意圖

圖9 沿程橫截面流場氣流參數分布馬赫數對比

圖10 沿程橫截面流場氣流參數分布溫度對比

由圖9～圖10可以看出，在、二者具有相似的流場氣流參數分布；二者在、均存在大尺寸低速區，凹腔附近火焰飽滿，溫度較高，在進氣道出口方向上流速較高，局部區域不宜組織高效燃燒，方案II在凹腔內部具有更高的溫度；方案I在、、低速區尺寸較大，火焰飽滿，溫度均勻，在燃燒室出口截面上低速區域尺寸較大、較為均勻，二者具有較為相似的溫度場分布。速度場差異產生的主要原因是：氣流經過兩個不同結構的凹腔火焰穩定器后，氣流參數發生相應變化，360°圓周凹腔比270°圓周凹腔在降低主流流速方面較為明顯。

三維數值計算給出了兩種燃燒室方案的性能參數，分析對比了不同氣流參數的流場分布。顯然相同的燃燒室構型使用不同的火焰穩定器使得流場和性能產生差異；同時，三維的數值模擬會使兩種燃燒室流場在空間上的差異更加明顯，雙下側90°的進氣布局也會使得三維流場更加復雜和不對稱。為了進一步探究復雜的三維流場，圖11和表4所示對兩種燃燒室方案的渦結構進行了對比分析。

圖11 兩種方案流線圖分布對比(Ma 4.5，ER=0.6)

表4 兩種方案沿程橫截面流線表(Ma 4.5，ER=0.6)

由于計算模型進行了對稱處理，為原模型的一半，為了便于描述漩渦個數，未特殊注明時，分析的漩渦個數均按原模型的一半處理。可以看出，二者均在頭部形成一個大尺寸的漩渦，渦心位于頭部的中間位置，劇烈燃燒發生在回流區的邊緣，印證了圖6溫度場中燃燒室頭部溫度相對下游較低的現象。由于流場復雜且不對稱，凹腔內氣流主要運動軌跡是呈螺旋狀的，混氣進入凹腔回流之后，沿著凹腔近壁面做較大直徑的周向運動，混氣運動距離增加。由于凹腔受主流影響較小，又位于二次回流區之后，具有較低軸向速度，氣流在軸向距離的變化更加緩慢，增加了燃料的駐留時間；凹腔內已點燃的高溫氣流形成了強烈的回流區，盡可能地點燃未燃燒的燃料，在燃燒室下游組織高效燃燒。由圖11可以看出，相較于方案II，方案I在進氣道出口附近下游存在明顯二次回流區，兩種凹腔與主流均存在明顯的物質交換，沒有出現漩渦被鎖在凹腔里面的現象。

由表4可以看出，二者在均形成了大尺度漩渦；在處二者有兩個相似的漩渦；由于凹腔內大部分氣流運動軌跡是呈螺旋狀的，在～，270°圓周凹腔在左側由于突擴效應形成了一個小漩渦，凹腔內部始終存在雙漩渦；結合圖11流線圖分析發現，周向運動是凹腔內氣流的主要運動形式，凹腔能夠促進氣流的周向運動。在燃燒室下游～二者存在相似的雙漩渦結構，一個大尺寸的存在于主流中心，一個小尺寸的靠近壁面，能夠很好地解釋圖9和圖10燃燒室下游一側近壁面沿徑向均存在溫度梯度的現象。

表5給出了不同方案燃燒室性能參數對比，為了便于比較，其中對照方案是沒有凹腔的旁側進氣突擴燃燒室。可以看出，在設計點方案I具有較高的燃燒效率和總壓恢復系數，主要原因是燃燒效率較高，煤油燃燒反應更加完全，釋放的熱量更多，溫度較高，導致加熱損失較高，而燃燒室由于壓力較高和流速較低，使總壓損失較小，綜合兩種因素，產生的結果是總壓損失較小。方案II燃燒效率大于對照方案，總壓恢復系數小于對照方案，是由于270°圓周的凹腔火焰穩定器在凹腔橫截面上形成兩個大小不同的漩渦，加強了氣體和燃料摻混，同時產生了流動損失。總得來說，使用合適的凹腔火焰穩定器可以提高燃燒室的綜合性能。

表5 性能參數對比

4 結束語

通過對兩種方案燃燒室的三維流場仿真分析，可得如下結論：

1)旁側進氣燃燒室采用凹腔火焰穩定器是可行的，有利于組織燃燒，相應會產生一定的損失，360°圓周凹腔能夠獲得較好的綜合性能；

2)360°圓周和270°圓周兩種方案對燃燒室頭部流場影響小，凹腔火焰穩定器主要對燃燒室入口下游流場產生影響；

3)360°圓周在凹腔段渦結構的主要存在形式是一個大尺寸漩渦，能夠促進氣流的軸向運動，增加氣流的運動距離，減緩了氣流軸向距離的變化，這有助于提高燃料駐留時間，使得氣流與燃料有更好的摻混；270°圓周在凹腔段存在兩個漩渦，突擴形成了小的漩渦，兩個漩渦在一定程度上加強了摻混，有利于組織燃燒室，但產生了流動損失；

4)兩種方案在燃燒室下游均存在雙漩渦結構，燃燒趨向中心燃燒，下游一側近壁面沿徑向存在溫度梯度，合理利用這種現象有利于熱防護。