凹腔布置方案對(duì)氣化煤油超聲速燃燒特性的影響*

鐘　戰(zhàn)，王振國(guó)，孫明波

(1.國(guó)防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410073；2.國(guó)防科技大學(xué) 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙　410073)

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凹腔布置方案對(duì)氣化煤油超聲速燃燒特性的影響*

鐘戰(zhàn)1,2，王振國(guó)1,2，孫明波1,2

(1.國(guó)防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410073；2.國(guó)防科技大學(xué) 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘要：針對(duì)兩種凹腔布置方案，模擬馬赫數(shù)6.0的來(lái)流條件，采用氣化RP-3開(kāi)展了一系列直連式燃燒試驗(yàn)。依據(jù)燃燒流場(chǎng)的可見(jiàn)光圖像、燃燒室壁面靜壓分布和推力增益，對(duì)比分析了凹腔布置方案對(duì)氣化煤油超聲速燃燒特性的影響。結(jié)果表明，凹腔布置方案和當(dāng)量比對(duì)燃燒室內(nèi)的火焰分布、燃料的釋熱特性和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能有顯著影響。并聯(lián)凹腔的火焰與釋熱主要集中在凹腔附近，燃料比沖對(duì)當(dāng)量比不敏感；單凹腔的火焰與釋熱分布更加分散，燃料比沖隨當(dāng)量比的增加而提高。

關(guān)鍵詞：超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；氣化煤油；凹腔；當(dāng)量比；燃燒特性

當(dāng)飛行馬赫數(shù)低于8時(shí)，利用吸熱型碳?xì)淙剂系奈锢砗突瘜W(xué)熱沉對(duì)高超聲速飛行器進(jìn)行再生冷卻是目前常用的熱防護(hù)方案[1-3]。冷卻通道內(nèi)，當(dāng)壓強(qiáng)和溫度均超過(guò)熱力學(xué)臨界點(diǎn)后，液態(tài)煤油碳?xì)淙剂峡梢灾苯舆M(jìn)入超臨界態(tài)。范學(xué)軍[4]和高偉[5]等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度足夠高時(shí)，噴注過(guò)程中超臨界RP-3可以聲速進(jìn)入燃燒室而不經(jīng)歷相變過(guò)程。因?yàn)槭÷粤遂F化和蒸發(fā)過(guò)程，超臨界RP-3的燃燒性能相對(duì)于室溫RP-3有大幅提升[4,6]。但由于RP-3的化學(xué)活性[7]遠(yuǎn)低于氫氣和乙烯等燃料，如何在毫秒級(jí)的燃燒室停留時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的火焰穩(wěn)定與高效燃燒，仍然是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程面臨的重大挑戰(zhàn)之一。

由于具有穩(wěn)焰范圍寬和總壓損失小的優(yōu)點(diǎn)，凹腔火焰穩(wěn)定器[8-14]廣泛應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中。凹腔形成的低速回流區(qū)改善了燃料與空氣的混合程度和火焰穩(wěn)定性[15-17]，同時(shí)對(duì)釋熱分布有重大影響[18-19]。為進(jìn)一步改善燃料與空氣的混合、優(yōu)化釋熱分布和增強(qiáng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能，有研究人員采用了多凹腔組合的方法。俞剛等[20-21]對(duì)比了單凹腔和串聯(lián)凹腔(凹腔安裝于燃燒室同側(cè)壁面)的液體煤油點(diǎn)火與燃燒特性，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)凹腔改善了液體煤油的點(diǎn)火與火焰穩(wěn)定性、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能。Collatz等[22]發(fā)現(xiàn)相比于單凹腔，超聲速燃燒室采用并聯(lián)凹腔(凹腔安裝于燃燒室異側(cè)壁面)后，乙烯的燃燒性能有顯著提升。潘余等[23-24]研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)凹腔并聯(lián)和串聯(lián)安裝時(shí)的燃燒流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)凹腔安裝構(gòu)型對(duì)流場(chǎng)有重大影響：串聯(lián)凹腔形成了單邊火焰分布，而并聯(lián)凹腔使得兩側(cè)壁面火焰充滿了整個(gè)流道。范周琴等[25]采用大渦模擬方法和火焰面模型分析了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)多凹腔燃燒室內(nèi)的混合與燃燒過(guò)程。結(jié)果表明：凹腔串聯(lián)和并聯(lián)均能增強(qiáng)混合，混合效率最大可提高20.95%和9.52%；凹腔串聯(lián)和并聯(lián)均能增強(qiáng)燃燒，燃燒效率最大可提高14%和16.94%；燃燒時(shí)凹腔串聯(lián)總壓損失更小，但凹腔并聯(lián)燃燒釋熱更快。

現(xiàn)有研究已證明凹腔布置方案對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的混合與燃燒性能有重大影響。但目前針對(duì)凹腔布置方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)火焰穩(wěn)定、釋熱特性和燃燒性能的影響的研究還不夠系統(tǒng)深入，尤其是這種影響隨當(dāng)量比等工況參數(shù)的變化規(guī)律更是少見(jiàn)；同時(shí)，現(xiàn)有研究主要以液體煤油或乙烯為燃料，針對(duì)氣化煤油的研究較少。鐘戰(zhàn)等通過(guò)改變?nèi)剂蠂娮簭?qiáng)，在不同當(dāng)量比下對(duì)比研究了氣化煤油在單凹腔和并聯(lián)凹腔燃燒室中的火焰穩(wěn)定特性、釋熱特性和燃燒性能。研究結(jié)果可以為吸熱型碳?xì)淙剂系娜紵M織方法提供參考。

1試驗(yàn)裝置

圖1　超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)直連式試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic of direct-connect scramjet test facility

試驗(yàn)所用的直連式超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[7,26-27]如圖1所示，包括空氣加熱器、超聲速噴管、超燃模型燃燒室、燃料供應(yīng)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)?？諝饧訜崞髂M飛行馬赫數(shù)6.0的來(lái)流條件，生成的熱空氣總流量為1.71 kg/s。模型燃燒室入口來(lái)流的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)工況

模型燃燒室結(jié)構(gòu)如圖2所示(圖中長(zhǎng)度單位為mm)，包含1個(gè)入口尺寸為54.5 mm×75 mm(H×W)的等截面隔離段和3個(gè)擴(kuò)張角分別為2.5°，3.5°和4°的擴(kuò)張段。擴(kuò)張段安裝有2個(gè)尺寸相同的噴注與火焰穩(wěn)定一體化凹腔，分別記為T1和B1。凹腔結(jié)構(gòu)如圖3所示，深度D、長(zhǎng)度L和后緣傾角A分別為15 mm，110 mm和45°。進(jìn)行單凹腔試驗(yàn)時(shí)，采用凹腔堵塊將B1凹腔堵上。氣化煤油通過(guò)T1和B1凹腔上游的噴嘴I1和I2以聲速噴注進(jìn)入燃燒室，噴嘴規(guī)格為3×Φ2.0 mm(噴孔數(shù)量×噴孔直徑)，安裝位置距凹腔前緣8 mm。試驗(yàn)采用高能火花塞點(diǎn)燃的引導(dǎo)氫氣進(jìn)行點(diǎn)火，火花塞和引導(dǎo)氫氣噴注孔的安裝位置如圖2所示。試驗(yàn)用氣化RP-3溫度約為780 K，采用自行研制的煤油加熱器[7,26,28]制備，該溫度下RP-3可以直接以氣態(tài)進(jìn)入燃燒室而不經(jīng)歷相變過(guò)程，同時(shí)熱裂解很弱，可以忽略。

圖2　超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型燃燒室示意圖Fig.2　Schematic of scramjet model combustor

圖3　凹腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic of cavity structure

2結(jié)果與討論

2.1火焰分布

通過(guò)調(diào)節(jié)RP-3的流量，在當(dāng)量比φ約為0.68，0.85和1.06的條件下進(jìn)行了單凹腔和并聯(lián)凹腔的燃燒試驗(yàn)，圖4給出了不同試驗(yàn)工況下典型的可見(jiàn)光圖像。總的來(lái)說(shuō)，隨著當(dāng)量比的增加，并聯(lián)凹腔和單凹腔的火焰亮度增加、火焰分布范圍擴(kuò)大，這表明燃燒室內(nèi)燃燒強(qiáng)度相應(yīng)提高。但并聯(lián)凹腔和單凹腔的火焰分布特征以及其隨當(dāng)量比的變化規(guī)律有顯著差別。采用并聯(lián)凹腔時(shí)，經(jīng)噴嘴I1和I2噴注的燃料分別在T1和B1凹腔附近形成了穩(wěn)定的火焰；三個(gè)當(dāng)量比下，火焰均主要分布在凹腔附近，凹腔下游火焰十分微弱，說(shuō)明燃燒主要發(fā)生在凹腔附近。采用單凹腔時(shí)，經(jīng)噴嘴I1噴注的煤油在T1凹腔附近形成了穩(wěn)定的火焰，而由噴嘴I2噴注的煤油的著火位置則與當(dāng)量比有關(guān)，隨著當(dāng)量比的提高，下壁面附近煤油的著火位置越來(lái)越靠近燃料噴注點(diǎn)。同時(shí)，單凹腔時(shí)的火焰分布更加分散，在凹腔下游仍然有明亮的火焰，這意味著燃燒室內(nèi)的燃燒釋熱更分散。

圖4　不同試驗(yàn)工況下的可見(jiàn)光圖像Fig.4　Visible light images under different tests

2.2釋熱分布

圖5給出了不同工況下的燃燒室壁面靜壓分布情況，壁面靜壓以燃燒室入口靜壓為基準(zhǔn)進(jìn)行了無(wú)量綱化，同樣給出了并聯(lián)凹腔無(wú)燃料噴注時(shí)的冷流靜壓作為參考。如圖5所示，單凹腔和并聯(lián)凹腔下，燃燒室壁面靜壓水平均隨當(dāng)量比增加而迅速升高，標(biāo)志著燃燒室內(nèi)燃燒強(qiáng)度有相應(yīng)提高。并聯(lián)凹腔時(shí)，三個(gè)當(dāng)量比下燃燒室壁面靜壓均呈現(xiàn)出明顯的單峰分布特征，靜壓峰值位于T1凹腔后緣，在峰值前后靜壓水平分別急劇升高和降低。與并聯(lián)凹腔相比，相近當(dāng)量比下單凹腔的靜壓分布更加平緩，其在凹腔附近更低而在凹腔下游更高。

圖5　不同試驗(yàn)工況下的靜壓分布Fig.5　Static pressure distributions under different tests

圖6　不同試驗(yàn)工況下的釋熱速率分布Fig.6　Heat release rate distributions under different tests

圖6給出了采用文獻(xiàn)[29]中的準(zhǔn)一維分析方法計(jì)算得到的不同工況下燃燒效率沿流向的微分(dηc/dx)分布情況。dηc/dx作為單位長(zhǎng)度內(nèi)的釋熱率，其沿流向分布反映了燃燒室內(nèi)的釋熱分布特征。該準(zhǔn)一維分析方法基于單步化學(xué)反應(yīng)和燃燒室壁面溫度恒定的假設(shè)，以燃燒室入口空氣參數(shù)、燃燒室面積變化和壁面靜壓分布作為輸入條件計(jì)算隔離段和燃燒室沿程的平均流動(dòng)參數(shù)分布。Micka[29]采用該方法計(jì)算了雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的流動(dòng)參數(shù)分布，并指出該方法最大的不確定性來(lái)自于估算氣流向壁面?zhèn)鳠岬恼`差。受此影響，采用計(jì)算得到的燃燒效率(ηc)的絕對(duì)值隨所假設(shè)的壁面溫度而變，但不同壁面溫度下dηc/dx分布曲線具有相同的形狀。由圖6可以看出，釋熱分布對(duì)凹腔布置方案和當(dāng)量比十分敏感。采用并聯(lián)凹腔時(shí)，不同當(dāng)量比下的釋熱分布曲線具有明顯的單峰分布特征，峰值位于凹腔附近且隨當(dāng)量比增加而升高，這表明釋熱主要集中在凹腔附近。采用單凹腔時(shí)，釋熱分布特征隨當(dāng)量比而變，φ=0.68和φ=0.85時(shí)，凹腔附近的釋熱分布較弱，在遠(yuǎn)離凹腔的下游位置釋熱率有顯著增大，這表明燃料的釋熱分散且主要發(fā)生在遠(yuǎn)離噴注點(diǎn)的下游；φ=1.06時(shí)，釋熱分布主要集中在凹腔附近，但在凹腔下游仍然有明顯的釋熱。

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能

圖7給出了不同試驗(yàn)工況下的推力增益和燃料比沖。可以看到，當(dāng)量比對(duì)推力增益和燃料比沖的影響與凹腔布置方案有關(guān)。在試驗(yàn)當(dāng)量比范圍內(nèi)，并聯(lián)凹腔下燃料比沖對(duì)當(dāng)量比不敏感，但單凹腔下燃料比沖隨當(dāng)量比增加而迅速提高，使得單凹腔下推力增益隨當(dāng)量比增加的升高幅度更大，這表明單凹腔下燃燒室性能對(duì)當(dāng)量比更敏感。

圖7　不同試驗(yàn)工況下的推力增益與比沖Fig.7　Thrust augmentation and specific impulse under different tests

凹腔布置方案對(duì)氣化煤油燃燒特性有重大影響是因?yàn)槠涓淖兞巳紵覂?nèi)的火焰穩(wěn)定位置，進(jìn)而影響了釋熱分布和燃燒室性能。單凹腔時(shí)，火焰穩(wěn)定位置、釋熱分布和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能對(duì)當(dāng)量比變化很敏感，這是燃燒室內(nèi)釋熱與流動(dòng)強(qiáng)烈耦合的體現(xiàn)。一方面，隨著當(dāng)量比的增加，燃燒室內(nèi)的絕對(duì)釋熱量增加，升高的燃燒反壓在燃燒區(qū)前形成了更強(qiáng)的預(yù)燃激波串，使得來(lái)流的平均流速降低、靜溫升高，從而為煤油與空氣的混合和反應(yīng)創(chuàng)造了更有利的流動(dòng)條件；另一方面，流動(dòng)條件的改善縮短了下壁面附近煤油與空氣的混合與著火距離，使得下壁面附近火焰能穩(wěn)定在更靠近上游的位置，這有利于煤油的釋熱。簡(jiǎn)而言之，良好的流動(dòng)環(huán)境促進(jìn)了燃燒室內(nèi)的燃燒釋熱過(guò)程，而釋熱量的增加又使得流動(dòng)條件向更有利于該區(qū)域燃燒釋熱的方向發(fā)展。

可見(jiàn)，火焰穩(wěn)定器的布置方案和工況參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性有重大影響，其作用機(jī)制與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)釋熱與流動(dòng)強(qiáng)烈耦合有關(guān)，這一點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化過(guò)程中必須充分考慮。

3結(jié)論

模擬飛行馬赫數(shù)6.0的來(lái)流條件，采用單邊擴(kuò)張型超燃模型燃燒室和直連式試驗(yàn)臺(tái)，在不同當(dāng)量比下對(duì)比研究了氣化煤油在單凹腔和并聯(lián)凹腔燃燒室中的超聲速燃燒特性。得到如下結(jié)論：

1)凹腔布置方案對(duì)火焰穩(wěn)定和釋熱分布有重大影響，并且這種影響隨當(dāng)量比而變；不同凹腔布置方案下，推力增益和燃料比沖隨當(dāng)量比的變化規(guī)律也不相同。

2)采用并聯(lián)凹腔時(shí)，火焰分布和燃燒釋熱主要集中在凹腔附近，燃料比沖對(duì)當(dāng)量比不敏感。

3)采用單凹腔時(shí)，火焰和釋熱分布在流動(dòng)方向上更加分散；隨著當(dāng)量比的增加，下壁面附近的火焰穩(wěn)定位置離燃料噴注點(diǎn)更近、燃燒室內(nèi)的釋熱分布更靠近上游、燃料比沖升高。

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doi:10.11887/j.cn.201602001

*收稿日期：2015-01-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91016028,11142010)；全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(201257)

作者簡(jiǎn)介：鐘戰(zhàn)(1983—)，男，安徽阜陽(yáng)人，博士研究生，E-mail：zhongzhan_nudt@163.com;王振國(guó)(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：wangzg_nudt@163.com

中圖分類號(hào)：V435.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2016)02-001-05

Effects of cavity arrangement on characteristics of supersonic combustion of vaporized kerosene

ZHONG Zhan1,2, WANG Zhenguo1,2, SUN Mingbo1,2

(1. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2. Science and Technology on Scramjet Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：Considering the two different cavity arrangement schemes, a series of direct-connected combustion tests were conducted with vaporized RP-3 under the simulated Mach 6.0 flight condition. Effects of cavity arrangement on characteristics of supersonic combustion of vaporized kerosene were investigated by comparing with the high-speed flame luminosity images, static pressure distributions along the combustor wall, and the thrust increments. The results show that the cavity arrangement and equivalence ratios affect the flame distribution, the heat release characteristic and the combustor performance significantly. For the parallel-cavity-equipped combustor, the flame distribution and heat release are concentrated near cavities, and the fuel specific impulse shows low sensitivity to the equivalence ratio. While the single-cavity-equipped combustor has a dispersive flame distribution and heat release, and the fuel specific impulse increases with the equivalence ratio.

Key words：scramjet engine; vaporized kerosene; cavity; equivalence ratio; combustion characteristic

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