超声速燃烧凹槽火焰稳定的研究动态

高超声速气流在燃烧室的停留时间非常短，使得超燃冲压发动机燃烧室内燃料与气流的混合及其燃烧变得非常困难。目前集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽有望改进这一情况而受到了普遍关注。介绍了超声速气流流过凹槽的自激振荡及其控制、停留时间和阻力等特性，总结、分析了近几年凹槽在超声速气流中增强混合及燃烧的实验与数值研究，指出了在把凹槽用于提高超燃冲压发动机性能方面存在的问题和进一步研究的方向。     

燃料喷射位置对凹槽火焰稳定特性的影响

采用混合分数平衡化学模型,燃烧与紊流相互作用的PDF模型和离散液滴模型,研究了不同位置喷射燃料对双模态冲压发动机燃烧室中煤油超声速燃烧凹槽火焰稳定特性的影响。结果表明,凹槽内均出现燃料和空气的混气,以及燃烧产生的高温区,可以达到稳定火焰,增强燃烧的目的;从凹槽局部参数以及燃烧室壁面静压的分布来看,凹槽上游0位置喷射燃料,更有利于燃料与空气的混合、燃烧,并且燃烧室总压损失较小,是最佳的喷射方式。验证了我们在实验研究中的所采取的设计方案。同时,有关煤油超声速燃烧的研究可以通过数值实验,并对实验测量起到指导作用,从而减少风洞实验次数。     

煤油—氢双燃料超声速燃烧点火特性研究

煤油－氢双燃料的超声速燃烧室中的自点火和燃烧稳定特性在直联式验装置上进行了实验研究。实验空气总温1650－1980K,总压基本保持在1.8MPa左右,燃烧室进口M数为2．5。用激光粒度仪测量了加压下煤油的雾化程度,为了寻找能点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比,设计加工了四种不同构型引导火焰与凹稳焰一体腔结构,利用氢引导火焰局部地加速煤油的化学反应和凹腔的联合促进作用与优化结合,发现在没有强迫点火能源条件下点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比较降低至0．03。燃烧室的性能用简化的一维计算机程序SSC－3作了初步估算。在长度425mm的燃烧室中获得了煤油的燃烧放率50％,引导火焰凹腔一体化结构对点火特性和性能的影响作了讨论。     

应用气泡雾化喷嘴的煤油超声速燃烧试验

在直联式超声速燃烧试验台上应用气泡雾化喷嘴,煤油当量比0.97和0.33分别使用氢气、空气和氮气为起泡气体进行了煤油超声速燃烧试验.在多种工况下实现了煤油的稳定燃烧.研究发现:凹槽火焰稳定器通过制造高温低速漩涡区增加煤油在燃烧室内的停留时间,并使煤油得到充分加热从而实现煤油的点火和稳定燃烧.通过气泡雾化喷嘴加入少量氢气,由于氢气进入燃烧室后迅速自燃释放热量,能够提高煤油的燃烧性能,使得煤油能够在无凹槽火焰稳定器的条件下稳定燃烧.      

前置肋片对凹槽火焰稳定器混合特性的影响

将前置肋片结构应用于超声速凹槽火焰稳定器中,数值模拟研究了前置肋片对凹槽火焰稳定器混合特性的影响.结果表明:与传统结构相比,在凹槽稳定器中加入前置肋片,能减小总压损失,增大凹槽内外喷口的穿透深度,并获得更为均匀燃料分布,有利于燃烧组织.      

超声速燃烧室中煤油分布对燃烧性能的影响

为研究煤油分布对燃烧性能的影响,在来流马赫数6,总温1650K的条件下,通过改变喷孔数量、喷射方向(单向对喷、双向喷)、喷孔排布方式(单列3孔、4孔)等,实现煤油在燃烧室截面上的不同均匀程度,获得了壁面压力及推力收益等数据。实验表明,单列4孔更易于煤油进入附面层和凹槽内的回流区等低速高温区域,有利于对点火和火焰稳定;对喷时燃烧主要集中在燃烧室核心区,虽可避免壁面承受太大的热载荷,但中部极度富油的状态对总燃烧效果有负面影响;双向喷能够充分利用两个侧壁附近的角落区,在整个燃烧室截面上的分布更均匀,燃烧效果更好,推力收益更大。     

超声速模型燃烧室中气化煤油喷注研究

利用直接照相和纹影显示研究了不同预热温度的煤油喷注到静态大气和马赫数2．5的横向气流时射流结构。煤油加热系统可将0．8kg煤油加热到670K和5．5MPa压力。比较4MPa压力下290K～550K不同温度的煤油射流结构可以发现，550K煤油射流一旦流出立即完全气化，并且保持贯穿深度基本不变。结果表明：喷注汽化燃料有可能改善液体碳氢燃料超声速燃烧室的性能，因为至少省却了雾化和气化过程。     

微波对超声速燃烧火焰结构的影响

超声速中等离子辅助燃烧是一种具有潜力的助燃方式。通过将低功率微波馈入超燃冲压发动机燃烧室的方式,研究了微波对火焰结构的影响。实验来流马赫数为2.5,常温乙烯燃料从壁面横向射流,以单级凹腔作为火焰稳定器,分别加入500 W和700 W连续2.45 GHz的微波,利用高速相机拍摄火焰CH^*发光图像。研究表明微波的加入使超声速火焰稳定结构发生改变,火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向射流出口转移,表明微波对火焰传播速度或者燃烧反应速率有增强作用。同时利用火焰边界提取和分形几何的方法,发现微波能够增大火焰边界分形维度,分析认为火焰传播速度由于微波的加入而增加,证明小功率的微波对超声速燃烧有促进作用。     

基于先锋氢点火和双凹腔火焰稳定的煤油超声速燃烧特性

采用先锋氢火焰点火方式和串联双凹腔火焰稳定机制,开展了模拟飞行马赫数4.0纯净空气条件下液态煤油燃料超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的试验研究。典型的燃烧室进口来流状态为马赫数2.0,总温约815K,总压700～800kPa。试验中上游凹腔采用喷油/点火一体化设计并几何结构保持恒定,分别研究了下游凹腔深度10mm,12.5mm和15mm时对煤油超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的影响;此外,通过串联双凹腔沿轴向后移及间距拉大,研究了其对煤油超声速燃烧特性的影响。试验结果表明:(1)采用先锋氢辅以火花塞点火方式可以可靠实现煤油燃料超声速点火,并最终实现自持稳定燃烧。(2)下游凹腔起到了很好的火焰稳定器作用,增大凹腔深度可以有效地增强火焰稳定性能,同时扩展火焰稳定的油气比范围。(3)双凹腔后移使得主燃烧区向下游移动,在相同油气比条件下有效缓解燃烧诱导压升对上游隔离段的扰动。     

超声速燃烧室中支杆位置对煤油燃烧的影响

使用支杆喷注煤油,可以通过喷孔使煤油获得初步的雾化而有利于煤油与气流的混合,从而更快地达到点火条件。为研究支杆在燃烧室中的位置对煤油掺混及燃烧性能的影响,在燃烧室入口马赫数2和3条件下,开展了支杆位于第一位置(燃烧室前部)和第二位置(燃烧室中部)时对煤油燃烧影响的数值模拟及试验。根据试验获得的壁面压力及数值模拟结果,得到以下结论:(1)支杆位置越接近氢气燃烧区,喷出的煤油可以更多、更快地进入该区域进行能量交换,减少煤油点火延迟时间。(2)支杆位于第二位置,支杆前后的近壁面低速区与氢气燃烧区前的回流区连成一片,增加燃料驻留时间,增强混合,有利于火焰向上游传播。(3)在煤油能够点火燃烧的前提下,支杆位于第二位置,煤油与氢气燃烧区域的高度超过燃烧室高度的一半,导致该区域流通面积减小,超声速气流减速,升温,促使煤油燃烧强度更高。     

凹腔结构对超声速燃烧室中横向燃料喷流流动与燃烧的影响

在超声速燃烧室的壁面上安装具有不同长深比、深度以及后壁倾角的凹腔,在凹腔上游壁面横向喷注燃料射流。分别利用掺有丙酮蒸气的氦气和氢气模拟不燃烧和燃烧两种情况下的横向燃料喷流,利用平面激光诱导荧光技术分别对流场中不同截面上的丙酮和氢氧基进行成像,同时对不燃烧情况下的喷流流场进行了数值仿真。研究发现:凹腔结构主要通过影响由凹腔后壁高压区向凹腔前壁传播高压扰动的行为来影响凹腔内部的静压分布,从而影响燃料的流动过程;凹腔长深比减小、深度或后壁倾角增大都有助于高压扰动的前传,导致燃料不易向凹腔内部偏转以及进入凹腔的燃料质量减少;凹腔长深比和深度的增加可增大凹腔内低速回流区的范围,有助于增强凹腔内部的燃烧以及火焰稳定能力;凹腔后壁倾角对燃料燃烧的影响不显著。     

采用斜坡凹槽稳焰器强化H_2超燃的数值研究

用迎风TVD格式求解三维多组分体系的全N S方程 ,化学反应源项采用点隐处理 ,H2 和空气的超燃模型用 11组分、 2 3步基元反应模型描述 ,得到了凹槽燃烧室不同截面组元、当量比、压力、温度等值线和速度场的分布。计算结果表明 :凹槽稳焰器的回流区可提供高温自由基 ,有助于超燃点火 ;火焰在凹槽内和凹槽后斜坡的尾迹中驻定。结果对定量认识凹槽H2 超燃流场、设计高效率和优化结构的一体化凹槽有着重要意义。     

采用斜坡凹槽稳焰器强化H2超燃的数值研究

用迎风TVD格式求解三维多组分体系的全N－S方程，化学反应源项采用点隐处理，H2和空气的超燃模型用11组分、23步基地反应模型描述，得到了凹槽燃烧室不同截面组元、当量比、压力、温度等值线和速度场的分.布计算结果表明：凹槽稳焰器的回流区可提供高温自由基，有助于超燃点火；火焰在凹槽内和凹槽后斜坡的尾迹中驻定。结果对定量认识凹槽H2超燃流场、设计高效率和优化结构的一体化凹槽有着重要意义。     

高温富油燃气作引导火焰的煤油超燃研究

对采用高温富油燃气作引导火焰的煤油超声速燃烧进行了研究。根据试验测得的壁面静压分布，采用一维简化模型处理与分析数据，得出了不同试验条件下的燃烧效率与总压恢复系数；对超声速燃烧室内的静压分布特点作出了分析；对超声速燃烧室人口处的气流总温，燃料喷射位置，以及燃烧总体当时比对燃烧室内静压分布、燃烧效率与总压恢复系数的影响进行了讨论。     

煤油超声速燃烧的数值分析

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态超声速燃烧室内的超声速喷雾燃烧进行了数值模拟。采用离散液滴模型、概率密度函数紊流扩散燃烧模型和紊流k ω模型计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0 551时的情况。数值结果得到的壁面静压分布与实验数据基本一致;计算所得到的总压损失系数是0 696,非常接近实验测量值0 707,但计算得到的燃烧室燃烧效率远比实验值高。     

壁龛稳焰超声速燃烧室流场的数值模拟

用FLUENT软件对安装开式壁龛(长深比L/D<10)的超燃冲压发动机燃烧室内的高速可压缩流动进行冷态数值模拟,以方便处理试验结果。控制方程为二维N S方程,湍流模型采用剪切修正的k ω模型。结果证明:在飞行马赫数Ma=4的情况,安装壁龛稳定器可以达到掺混和稳定的目的,而且不会引起很大的总压损失。     

煤油超燃冲压发动机两相流场数值研究(Ⅱ)导流型凹槽对增强掺混和火焰稳定的影响初探

对新型三维导流型凹槽的流动、燃料喷注、雾化、惨混及燃烧特征进行了初步研究，并与传统二维结构凹槽的流动进行了对比。结果表明：(1)与传统二维结构的凹槽相比，导流型凹槽能够诱导较强的横向漩涡和湍流，促进凹槽内部及凹槽与主流的动量、能量和质量交换，从而增强超燃掺混和火焰稳定。但其效果随具体结构和流动条件存在差别。(2)导流型凹槽在增强火焰稳定的同时加剧了凹槽内部的流动不平衡。这种不平衡对凹槽内部的燃油喷射及雾化有重要影响。应该在不同的凹槽结构和流动条件下合理设计并优化喷注方案。(3)计算中观察到由于凹槽附近剧烈的燃烧导致了局部回流。     

超声速燃烧室凹腔火焰稳定器的数值模拟

为分析凹腔火焰稳定器在超声速燃烧室中的流动特性,运用数值模拟方法研究了凹腔对H2超声速燃烧的作用规律。通过对比分析不同凹腔长深比L/Du,后缘倾角θ,后缘深度Dd和H2喷射位置Ljet对燃烧室性能的影响,发现凹腔的火焰稳定机制主要在于富含自由基的高温回流区;L/Du=7~9,θ=30°,Du/Dd=1.0和Ljet=24mm的燃烧室强化混合燃烧的性能较好,可以获得较高的燃烧效率和总压恢复。