超燃燃燒室懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)研究

吳達，黃桂彬，陳鋒莉，張涵

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051)

超燃燃燒室懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)研究

吳達，黃桂彬，陳鋒莉，張涵

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051)

超燃燃燒室中燃料的摻混強化問題備受關(guān)注，為了優(yōu)化懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)在超燃燃燒室中的流場特性，運用數(shù)值模擬方法對懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)的冷、熱流場進行研究，對比分析有無凹腔結(jié)構(gòu)、懸臂斜坡噴注器/凹腔不同位置組合對流場特性的影響。結(jié)果表明：隨著組合位置距離的增大，凹腔的穩(wěn)定燃燒作用變強，但不同的組合位置會帶來燃燒室不同的燃料摻混效果和燃燒特性；綜合考慮，組合距離h=30 mm雖然總壓損失較大，但卻擁有更強的燃料摻混效果和更大的燃燒效率收益，流場特性最優(yōu)。

超燃燃燒室；懸臂斜坡噴注器；凹腔；流場特性

0 引 言

在超燃燃燒室中，為了使高速氣流和燃料充分燃燒，需要采取強化摻混的措施[1-4]，常見的強化摻混的措施主要包括：脈沖射流、等離子體控制、支板、斜坡、凹槽等[5-7]。

懸臂斜坡噴注器是一種摻混增強裝置，它通過減小激波溢流、利用物理斜坡流向渦增強的特點，可有效增強射流的摻混效率和穿透深度。目前，對于懸臂斜坡噴注器已開展了廣泛研究，例如，D.C.Alexander等[8-9]針對懸臂斜坡噴注器在進氣道內(nèi)的位置進行了詳細研究；T.Arai等[10]通過實驗方法，在來流馬赫數(shù)分別為1.8和2.4的條件下，對比了類似懸臂斜坡的噴注器和傳統(tǒng)斜坡噴注器產(chǎn)生的流向渦，證明前者明顯優(yōu)于后者。

凹腔結(jié)構(gòu)通過產(chǎn)生回流區(qū)，在回流區(qū)中產(chǎn)生高溫區(qū)，從而起到維持穩(wěn)定燃燒的作用。通常將凹腔結(jié)構(gòu)與其他摻混增強裝置組合使用，以達到將凹腔的火焰穩(wěn)定能力和摻混增強裝置提升燃料摻混效果的作用相結(jié)合的目的。A.Ben-Yakar等[11]研究了壁面噴注方式與凹腔組合對燃料摻混效果的影響，發(fā)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)能夠有效提高流場的摻混效果；張新宇等[12]通過試驗，研究了支板/凹腔一體化超燃沖壓發(fā)動機模型的燃燒特性。

但目前國內(nèi)將斜坡?lián)交煸鰪娧b置與凹腔組合的研究仍鮮有報道，能查到的資料中，僅有D.R.Eklund等[13]針對氣動斜坡與凹腔的組合結(jié)構(gòu)展開了研究。因此，展開懸臂斜坡噴注器與凹腔組合結(jié)構(gòu)對流場摻混特性影響的研究十分必要。本文運用數(shù)值模擬方法，通過對冷、熱流場的分析，針對懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)的三種不同位置對超燃燃燒室流場的影響進行研究。

1 模型與算例

1.1 模型建立

為了定量分析懸臂斜坡噴注器/凹腔結(jié)構(gòu)不同位置組合對超燃燃燒室流場的影響，設(shè)置凹腔長深比L/D=3.5，凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm三個算例。h=30 mm時超燃燃燒室的基本構(gòu)型如圖1所示。

從圖1可以看出：燃燒室的高度為25.4 mm，寬度為30.0 mm，長度為380.0 mm；懸臂斜坡噴注器尾部距離入口60.0 mm；超燃燃燒室凹腔深度D=10.0 mm，凹腔長度L=35.0 mm，凹腔后緣角保持45°不變；在距離懸臂斜坡噴注器尾部190.0 mm處存在角度為3°的傾斜下壁面。

為了方便建模與計算，懸臂斜坡噴注器噴孔形狀均設(shè)置為正方形，懸臂斜坡噴注器的具體構(gòu)型參數(shù)詳見文獻[5]。來流馬赫數(shù)Ma=2，總壓Pt=850 kPa，靜壓P=108 kPa，總溫Tt=1 800 K，氣流成分的質(zhì)量分數(shù)：αO2=23.2%，αN2=76.8%，噴孔處乙烯噴射總壓Pt=20 000 kPa，靜壓P=1 400 kPa，總溫Tt=300 K。

采用可壓縮N-S守恒方程，其湍流流動和燃燒控制方程為

(1)

式(1)中參數(shù)的具體意義詳見文獻[3]。

算例采用k-ωSST湍流模型，燃燒模型采用單步有限速率/渦耗散模型。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并在懸臂斜坡噴注器、噴孔以及凹腔壁面附近進行網(wǎng)格加密處理，各模型的網(wǎng)格數(shù)為300萬左右。凹腔長深比L/D=3.5，凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h=30 mm的超燃燃燒室網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

1.2 算例設(shè)置

設(shè)置凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm的三個算例和一個無凹腔結(jié)構(gòu)的算例，以研究懸臂斜坡噴注器/凹腔結(jié)構(gòu)不同位置組合對超燃燃燒室流場的影響。各個算例的構(gòu)型如圖3所示。

(a) 無凹腔結(jié)構(gòu)懸臂斜坡噴注器

(b) 懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)，h=0時

(c) 懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)，h=30 mm時

(d) 懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)，h=60 mm時

圖3 各算例構(gòu)型圖

Fig.3 Configuration of all cases

1.3 算例驗證

為了驗證k-ωSST湍流模型對本文物理模型數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對懸壁斜坡噴注器和凹腔分別進行算例驗證。

首先，對J.M.Donohue等[14]的實驗進行懸壁斜坡噴注器的算例驗證。燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)參見文獻[14]，來流馬赫數(shù)Ma=2，總壓P0=262 kPa，靜壓P1=33.5 kPa，總溫T0=300 K；噴孔處氫氣噴射總壓P0jet=248 kPa，噴射靜壓P1jet=50.24 kPa，噴射總溫T0jet=300 K。懸壁斜坡噴注器算例驗證結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)可以看出：數(shù)值模擬與實驗所得的溫度梯度基本一致；從圖4(b)可以看出：數(shù)值模擬與實驗的壓力分布曲線吻合較好。表明所采用的k-ωSST湍流模型能夠有效模擬懸壁斜坡噴注器在超燃燃燒室中的流場特性。

然后，對美國帕特森空軍基地(Air Force Research Laboratory)的實驗?zāi)Ｐ瓦M行二維凹腔的算例驗證。燃燒室及凹腔的具體尺寸詳見文獻[15]。網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對凹腔附近以及壁面進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)約為30萬。來流馬赫數(shù)Ma=3，總壓Pt=0.69 MPa，總溫Tt=300 K。凹腔內(nèi)部流線圖如圖5所示。凹腔附近的壓力等值線圖如圖6所示。本文計算所得馬赫數(shù)云圖及實驗紋理圖如圖7所示。

注：1 in=0.025 4 m。

從圖5～圖7可以看出：對于凹腔內(nèi)部兩個漩渦的大小和位置以及凹腔附近出現(xiàn)的三道激波系，本文計算所得結(jié)果與文獻[15]實驗所得結(jié)果均十分吻合。

凹腔前、后及底部的壁面靜壓分布如圖8所示，可以看出：凹腔前壁面和其底部前半段的壁面靜壓分布基本沒有變化，從底部中間位置開始出現(xiàn)靜壓下降，源于凹腔內(nèi)部較大漩渦導(dǎo)致的耗散作用；在凹腔底部靠近后壁面位置靜壓上升，源于后壁面對流場的擠壓作用；凹腔后壁面的靜壓先下降后上升，是由后壁面附近的激波系造成的。

本文計算結(jié)果與文獻結(jié)果相互吻合，表明所采用的k-ωSST湍流模型能夠準(zhǔn)確模擬凹腔的流場細節(jié)。

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h=60 mm時，對懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)(如圖3(d)所示)分別設(shè)置100萬、200萬、300萬和400萬四種不同網(wǎng)格數(shù)量的算例，進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。不同網(wǎng)格數(shù)量下的可燃混合區(qū)數(shù)值曲線如圖9所示。

從圖9可以看出：300萬網(wǎng)格數(shù)量下的曲線和400萬網(wǎng)格數(shù)量下的曲線相差甚微，表明網(wǎng)格數(shù)量為300萬時已能夠滿足精度要求，為了節(jié)約計算成本，本文算例采用的網(wǎng)格數(shù)量約為300萬。

2 結(jié)果分析

2.1 有無凹腔結(jié)構(gòu)對流場特性的影響

組合結(jié)構(gòu)選擇凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h=30 mm，凹腔長深比L/D=3.5，其余參數(shù)均保持不變。

冷流狀態(tài)下，對稱面上，無凹腔結(jié)構(gòu)的懸臂斜坡噴注器和懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)對超燃燃燒室溫度分布云圖如圖10所示，可以看出：懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)在凹腔內(nèi)部存在很大范圍的高溫區(qū)，該高溫區(qū)不僅可以有效促進燃料的摻混、有利于燃料的點火，還能夠在燃燒時達到穩(wěn)定火焰的效果，表明懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)擁有更好的流場特性。

2.2 懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)不同位置組合對流場特性的影響

2.2.1 無反應(yīng)流場結(jié)果分析

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm時，冷流狀態(tài)下，對稱面凹腔附近溫度分布云圖如圖11所示。

從圖11可以看出：懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)在三個不同位置處，凹腔內(nèi)均產(chǎn)生了高溫區(qū)，即不同位置的組合結(jié)構(gòu)均能通過回流產(chǎn)生高溫區(qū)，表明三種位置均能達到穩(wěn)定火焰的效果；h=0時，懸臂斜坡噴注器底部產(chǎn)生了比其他兩種位置更大的高溫區(qū)，原因是該位置組合凹腔底部與懸臂斜坡噴注器距離太近，兩者結(jié)合形成了更大的類似凹腔結(jié)構(gòu)，高溫區(qū)范圍相對于其他兩種位置增加了懸臂斜坡噴注器底部部分；但該位置的高溫區(qū)大部分集中于靠近噴孔位置或者噴孔前端，此時燃料與來流的摻混不充分甚至尚未摻混，由此可以推測，在h=0位置處，組合結(jié)構(gòu)增強點火并保持火焰穩(wěn)定的能力不如其他兩種位置。

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm時，冷流狀態(tài)下，對稱面凹腔附近壓強分布云圖如圖12所示。

從圖12可以看出：懸臂斜坡噴注器前沿產(chǎn)生的弓形激波經(jīng)壁面折射在超燃燃燒室內(nèi)形成激波串a(chǎn)，該激波串為懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)在超燃燃燒室內(nèi)激波系的主要來源，激波串a(chǎn)與位于凹腔后緣的激波串b匯聚于流場內(nèi)形成復(fù)雜的激波系，并隨著流道內(nèi)的流向渦和展向渦的發(fā)展逐漸耗散；燃燒室中的激波雖然會引起總壓損失、來流速度減小，但也能起到增壓的作用，通過一系列激波系的發(fā)展，使得燃燒室內(nèi)來流增壓、升溫，促進燃燒；當(dāng)h=30 mm時，凹腔前緣產(chǎn)生激波c，而h=0時，凹腔前緣位于懸臂斜坡噴注器下方，h=60 mm時，又距離噴注器較遠，故h=0和h=60 mm兩種位置組合的激波c的強度均弱于h=30 mm算例；而且h=0時，凹腔后緣的激波b強度最大，因此凹腔后的流場內(nèi)激波系的強度最大，使得h=30 mm算例的高壓區(qū)范圍最廣。

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm時，冷流狀態(tài)下，對稱面凹腔附近湍動能強度分布云圖如圖13所示。

從圖13可以看出：h=30 mm時，高湍動能區(qū)的面積相較于h=0和h=60 mm兩個位置明顯較大，原因是h=30 mm時，凹腔附近的激波b和激波c的強度明顯大于另兩個算例，使得其回流區(qū)的范圍和強度也較大，進而增大了高湍動能范圍。高湍動能區(qū)域越大，對來流的擾動越強，可起到增強摻混的作用。

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm時，對稱面凹腔位置的展向局部流線圖如圖14所示。

從圖14可以看出：隨著距離的增大，凹腔內(nèi)部逐漸形成展向渦且展向渦強度逐漸增大、渦核高度逐漸靠近凹腔底部壁面，凹腔對來流的卷吸作用逐漸增強；h=0時，由于凹腔太靠近噴孔，使凹腔內(nèi)部無法有效形成成熟的展向渦，故此時凹腔的卷吸作用最弱。凹腔內(nèi)漩渦對來流的卷吸作用越強，越有利于火焰的穩(wěn)定。

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm時，燃燒室內(nèi)噴孔及凹腔附近(z=0，x分別為45、65、85、105、125和135 mm截面)乙烯組分云圖如圖15所示。

從圖15可以看出：h=0時，在x=105、x=125和x=135 mm處，乙烯羽流高度明顯高于其他兩個位置，表明h=0時，由于凹腔內(nèi)未形成展向渦，使得其卷吸能力最弱，致使該算例的射流穿透深度、射流高度明顯高于其他兩種組合位置，同時，該算例也無法有效利用凹腔卷吸主流的作用而達到穩(wěn)定火焰的目的；h=30 mm時，在x=125和x=135 mm處，乙烯羽流高度略微高于h=60 mm算例，即其射流穿透深度優(yōu)于后者，與上述分析一致。

為了定量分析冷流條件下懸臂斜坡噴注器/凹腔結(jié)構(gòu)不同位置組合燃料的摻混效率，分析燃燒室x沿程可燃混合區(qū)的面積，如圖16所示，可以看出：h=0時，由于凹腔的卷吸能力最弱，在x=200 mm之前可燃混合區(qū)面積明顯占優(yōu)，但在x=200 mm之后可燃混合區(qū)的面積卻小于h=30 mm算例，這是由于后者的燃燒室內(nèi)高湍動能區(qū)面積明顯大于其他算例，與上述分析一致；而h=60 mm時，由于凹腔的卷吸能力太強，燃料的摻混能力相對最弱。

綜上所述，隨著組合位置距離的增大，凹腔的穩(wěn)定燃燒作用變強，但h=30 mm算例在燃料摻混方面優(yōu)于另兩個算例。

2.2.2 燃燒流場結(jié)果分析

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm時，燃燒狀態(tài)下對稱面溫度分布云圖如圖17所示。

從圖17可以看出：由于燃燒室內(nèi)來流總溫較高，在懸臂斜坡噴注器噴孔后方的邊緣部位就能形成燃燒，但射流中心部位由于乙烯濃度過高而不能形成燃燒，且射流燃料溫度很低，在噴孔后方形成一段低溫區(qū)；h=30 mm時，噴孔后方的低溫區(qū)最短，表明該位置的燃料摻混效果最佳，此外，該位置處凹腔后方燃燒室內(nèi)的溫度和高溫區(qū)分布面積也明顯大于另外兩個算例，表明h=30 mm位置，燃燒室內(nèi)燃料燃燒更充分，火焰擴散效果也更好。綜上所述，h=30 mm時，凹腔結(jié)構(gòu)的燃燒效率更高、促進摻混和擴散能力均優(yōu)于另外兩個算例。

凹腔前壁面與懸臂斜坡噴注器尾部的距離h分別為0、30和60 mm時，燃燒狀態(tài)下燃燒室內(nèi)(z=0，x分別為45、65、85、105、125、135、200、280和340 mm截面)二氧化碳組分云圖如圖18所示。

從圖18可以看出：h=30 mm時，x在135～200 mm和280～340 mm區(qū)域內(nèi)，在高度擴展方面明顯優(yōu)于其他構(gòu)型，甚至在x為280～340 mm區(qū)域內(nèi)，二氧化碳分布至整個對稱面，且對稱面上高二氧化碳濃度區(qū)域面積也大于其他算例。表明h=30 mm組合位置能更好地促進組分擴散，使燃燒室內(nèi)的燃燒更加充分。

為了定量分析燃燒室內(nèi)燃燒流場的特性，對比分析各算例燃燒室的燃燒效率ηr和總壓損失，如圖19所示。

從圖19(a)可以看出：三種不同位置的懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)的燃燒效率大小可表示為h=30 mm>h=0>h=60 mm，且h=30 mm時，其燃燒效率優(yōu)勢顯著，原因是該組合位置的燃燒室流場利用凹腔的穩(wěn)定火焰效果以及增強摻混能力最優(yōu)，燃燒最充分，這也與上文的定量分析一致。從圖19(b)可以看出：h=30 mm位置的總壓損失總體最大，其次為h=0位置，h=60 mm位置的總壓損失最小，但是，h=30 mm位置僅僅以大于h=60 mm位置25%的總壓損失換來了近一倍的燃燒效率收益，仍可認為h=30 mm位置燃燒流場的流場特性最優(yōu)。綜上所述，不同位置組合帶來了燃燒室不同的燃料摻混效果和燃燒特性，h=30 mm位置雖然總壓損失較大，但卻擁有更大的燃燒效率收益，因此可認為該位置燃燒流場特性最優(yōu)。

3 結(jié) 論

(1) 通過對比有無凹腔對懸臂斜坡噴注器流場的影響，發(fā)現(xiàn)懸臂斜坡噴注器/凹腔組合結(jié)構(gòu)擁有更好的流場特性。

(2) 隨著組合位置距離的增大，凹腔的穩(wěn)定燃燒作用變強。但不同的位置組合帶來了燃燒室不同的燃料摻混效果和燃燒特性，h=30 mm位置雖然總壓損失較大，但卻擁有更強的燃料摻混效果和更大的燃燒效率收益，因此可認為該位置燃燒流場特性最優(yōu)。

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(編輯：馬文靜)

Study on Cantilever Ramp Injector/Cavity Combination in a Supersonic Combustion

Wu Da, Huang Guibin, Chen Fengli, Zhang Han

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

The numerical simulation is carried out to investigate the cold flow and hot flow characteristics for structure composed of cantilever ramp injector and cavity in the supersonic combustion. The structure without cavity and different positions of cantilever ramp injector/cavity combination is comparatively analyzed. Results indicate that the bigger distance between injector and cavity, the more stable for burning. However, the different positions of injector and cavity will lead to different mixing and combustion characteristics; In summary, when distance (h) is 30 mm, the total pressure loss is big but the mixing efficient and burning efficient is better, so the flow characteristic is optimal.

supersonic combustion; cantilever ramp injector; cavity; flow characteristics

2017-01-17；

2017-03-11

黃桂彬,393112519@qq.com

1674-8190(2017)02-226-10

V235.11

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.02.016

吳 達(1976-)，男，碩士，副教授。主要研究方向：飛行器論證、設(shè)計及其作戰(zhàn)使用。

黃桂彬(1992-)，男，碩士研究生。主要研究方向：飛行器設(shè)計與論證。

陳鋒莉(1974-)，女，碩士，講師。主要研究方向：飛行器論證、設(shè)計及其作戰(zhàn)使用。

張 涵(1992-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：飛行器設(shè)計與論證。