超燃燃燒室小支板三維尺寸數(shù)值優(yōu)化

黃桂彬,吳 達,王應洋,王旭東

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

超燃燃燒室小支板三維尺寸數(shù)值優(yōu)化

黃桂彬,吳 達,王應洋,王旭東

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

為進一步提高小支板后低動壓噴射的摻混增強性能,利用數(shù)值模擬方法對不帶前引導面的小支板幾何尺寸進行數(shù)值優(yōu)化,對比分析不同長寬高幾何尺寸對混合效率、穿透深度與總壓損失的影響,研究發(fā)現(xiàn)小支板寬度越大,射流近場穿透效果越好;小支板越高后方射流穿透深度越大,但同時也帶來更大的總壓損失;小支板長度對燃料空氣摻混特性影響不大,小支板過短會增大燃燒室總壓損失,過長會帶來額外的冷卻負擔。

超燃燃燒室;小支板;摻混增強;數(shù)值模擬

0 引言

由于超聲速氣流在超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)停留時間不超過2 ms,燃料的摻混與點火必須在極短的時間內(nèi)完成,火焰穩(wěn)定也將變得十分困難。對于大尺寸沖壓發(fā)動機而言,為改善燃料在燃燒室的穿透深度與混合特性燃料噴注方案成為主要挑戰(zhàn)。噴注方案設計必須有效提高燃料在燃燒室中的穿透深度并且在不較大提高噴射壓強的情況下使燃料與空氣迅速摻混以實現(xiàn)燃料深入主流。此外,噴注方案必須滿足火焰穩(wěn)定與盡可能的降低總壓損失。

根據(jù)摻混機理的不同可將噴注方式分為:流向渦摻混增強技術、大尺度激勵和旋流等。根據(jù)摻混裝置可將噴注方式分為:被動式摻混增強與主動式摻混增強。常見的被動式摻混裝置有:物理斜坡、氣動斜坡、支板、旋轉(zhuǎn)射流、激波/邊界層作用、凹腔、后向臺階、橫向噴流等。在大尺寸沖壓發(fā)動機中插入來流中心噴注燃料的支板作為侵入式被動摻混裝置得到廣泛的應用,但在馬赫數(shù)較大的來流條件下,尺寸較大的支板不僅額外的引入冷卻與熱防護負擔還不可避免地帶來難以接受的燃燒室阻力與總壓損失。小支板后低動壓噴射在90年代被提出[1-2],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,后來也被應用到燃燒室的燃料噴注孔前方[3-8]。研究者通過設置小支板不同幾何參數(shù)[9-15]、不同噴射動壓比[1-2,16-21]進行了較多冷流實驗。但對不同幾何尺寸的小支板流場特性尚未做充分研究,文中在前期構型研究的基礎上對矩形截面13種不同幾何尺寸的小支板進行了數(shù)值研究。

1 模型建立算例驗證與網(wǎng)格劃分

1.1 模型建立

為定量分析不同幾何尺寸小支板流場特性差異,文中設置了不同寬度、不同高度以及不同長度等13個算例。小支板后緣底邊寬度為W,頂邊寬為M,高為H,底面長為L,噴孔距離小支板后緣2d,燃燒室和小支板的結構圖見圖1,超聲速燃燒室為長119 mm的矩形截面的自由通道,進口截面為20 mm×32 mm。噴孔距離燃燒室入口35 mm,噴孔為邊長a=1.24 mm的方孔(面積與直徑d=1.4 mm的圓孔等效)。標準算例的支板長L=7d,寬W=1d,高H=4d;小支板與噴孔的距離Xp=2d。來流馬赫數(shù)Ma=2,總壓pt=850 kPa,靜壓p=108 kPa,總溫Tt=300 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。如圖2為部分小支板局部網(wǎng)格示意圖。

圖1 燃燒室與小支板結構圖(單位:mm)

圖2 局部網(wǎng)格示意圖

1.2 算例設置

為清晰闡明不同幾何尺寸小支板對流場混合區(qū)的影響,文中設置長寬高不同的13個算例與一個不帶小支板的對比算例。各支板構型圖見圖3。

圖3 不同支板構形圖

1.3 錐形小支板算例驗證

為驗證文中湍流模型選取的合理性,對文獻[21]的帶錐形小支板的超燃燃燒室試驗模型進行了算例驗證,燃燒室?guī)缀谓Y構見圖4,超聲速燃燒室進口截面為50 mm×25 mm的矩形截面的自由通道,距離噴孔下游有一高度12.5 mm的臺階,其余具體幾何尺寸參見文獻[4]。來流馬赫數(shù)Ma=1.6,總壓pt=486 kPa,靜壓p=114 kPa,總溫Tt=300 K,氣流成分的質(zhì)量分數(shù)αO2=23.2%,αN2=76.8%。噴孔處氬氣噴射總壓pt=516 kPa,靜壓p=243 kPa,總溫Tt=300 K。圖5與圖6分別是數(shù)值模擬馬赫數(shù)云圖與數(shù)值紋影圖對比和壁面壓強曲線與試驗值對比。馬赫數(shù)云圖顯示的隔離段中的交錯波系與臺階處明顯的膨脹波與試驗紋影圖一致。除出口附近仿真所得的壁面壓強曲線比試驗測量值略高外,數(shù)值模擬值與試驗值吻合得較好,分析誤差原因,可能是數(shù)值仿真未充分考慮燃燒室壁面的摩擦阻力。從整體看來,文中所采用的湍流模型是可取的。

圖4 燃燒室與小支板結構圖(單位:mm)

圖5 紋影與馬赫數(shù)云圖對比

圖6 試驗段與壁面壓強比較

2 結果分析

2.1 不同寬度小支板對流場特性的影響

定義流場可燃混合區(qū)為乙烯當量比0.4≤Φ≤5.5的范圍。圖7是不同寬度小支板后方X/d=25、30、35、40、45截面上當量比Φ=0.4(外)與Φ=5.5(內(nèi))的等值線、X=40d截面上乙烯組分云圖與流線圖以及噴孔噴出流線圖。從Φ=0.4等值線可以看出所有小支板后方的可燃混合區(qū)形狀均成雙橢圓形,隨著小支板寬度增加靠近下壁面的橢圓面積逐漸增大,說明小支板寬度越大靠近流道下壁面的乙烯組分越多。Φ=5.5等值線內(nèi)部表征富油區(qū),由于乙烯組分濃度過大無法點火,在X=40d截面上下底邊寬度W=0.5d的小支板的富油區(qū)率先分為兩部分,其余寬度的小支板富油區(qū)仍為一體,說明寬度0.5d的小支板在Y方向擴散能力較強,在X=45d截面上寬度0.5d的小支板仍然存在兩塊高濃度富油區(qū),而其余寬度的小支板僅在上橢圓區(qū)存在高濃度乙烯組分,說明寬度0.5d的小支板整體擴散能力較差;隨著小支板寬度增加X=40d截面上乙烯組分分布的Z方向?qū)挾纫苍黾?從流線圖所表征的漩渦個數(shù)來看寬度0.5d、1d的小支板僅在靠近下壁面以及“上橢圓區(qū)”產(chǎn)生了兩對流向渦,而寬度1.5d、2d的小支板產(chǎn)生了三對流向渦,在“下橢圓區(qū)”產(chǎn)生的額外流向渦,這即是小支板寬度增加靠近下壁面的橢圓面積逐漸增大的原因;從噴孔噴出的流線可以看出,小支板寬度越大從噴孔噴出的流線就越靠近小支板后緣頂部,說明小支板后緣面積越大低壓區(qū)范圍越大,射流近場穿透效果越好。

圖8是不同寬度小支板可燃混合區(qū)Af、最大乙烯組分濃度衰減曲線、羽流質(zhì)量中心高度hz與總壓損失系數(shù)曲線對比。隨著小支板寬度的增加各截面上的可燃混合區(qū)面積逐漸增大,最大乙烯組分濃度衰減得越快。這是因為寬度1.5d、2d的小支板在“下橢圓區(qū)”產(chǎn)生的額外流向渦的緣故,這和以上機理分析一致。從穿透深度來看,除X=25d截面外,W=1d的小支板羽流質(zhì)量中心高度值最大,而W=2d的小支板值最小,W=0.5d、1.5d的小支板相當。但在X=25d截面處W=2d的小支板羽流質(zhì)量中心高度值最大,這是因為小支板后緣面積越大,后方產(chǎn)生的低壓區(qū)范圍越大,射流近場穿透效果越好,同時燃料組分得以在離壁面較近的地方充分擴散導致可燃混合區(qū)的“下橢圓區(qū)”面積較大,最終使得羽流質(zhì)量中心高度值減小。由于低壓區(qū)對穿透高度影響的兩面性使得對于W=0.5d、1.5d的小支板hz值相當。在一定范圍內(nèi),隨著支板寬度的增加小支板所帶來的總壓損失越大,但W=0.5d、1d的小支板相當,這可能是支板過窄使得噴流前的弓形激波強度增大導致。

圖7 不同寬度小支板后方等值線圖與流線圖

圖8 不同寬度小支板摻混特性數(shù)值比較

為進一步分析小支板后緣上下邊寬對流場特性的影響,圖9顯示了對應邊寬小支板的燃燒室出口截面的混合效率、羽流質(zhì)量中心高度與總壓損失系數(shù)值。與M/W=0.5的小支板相比所有M/W=0.25的小支板出口截面混合效率均較低,但所有支板混合效率都遠高于無小支板算例。W1dM0.5d的小支板hz值高于W1dM0.25d的小支板,但W2dM1d的小支板hz值低于W2dM0.5d的小支板,說明在一定范圍內(nèi)后緣面下邊寬度對穿透深度具有負作用,上邊寬度對穿透深度具有正作用。從總壓損失來看,后緣面面積越大總壓損失越大。綜上所述,在小支板寬度設計過程中應在混合效率、穿透深度與總壓損失間尋求平衡,根據(jù)燃燒室具體特征進行取舍。

圖9 不同寬度小支板摻混特性數(shù)值比較

2.2 不同高度小支板對流場特性的影響

圖10是H/d=3、4、5的小支板出口截面乙烯組分云圖與流線圖。隨著小支板高度增加燃料羽流穿透高度也增加,羽流中心高濃度乙烯組分逐漸減少,說明小支板越高后方射流噴出的燃料組分擴散越快。H/d=3、4、5的小支板渦核位置分別在Y=0.008 mm、0.009 mm、0.01 mm,流向渦越高說明流場抬升作用越強。H/d=3與H/d=5相比,燃料羽流區(qū)下半部分更窄,即靠近下壁面的乙烯組分相對較少。除此之外,不同高度的小支板燃料組分分布形狀差異不大,說明小支板高度對燃料組分分布影響較小。

為定量分析不同高度的小支板混合與穿透效果,圖11為羽流質(zhì)量中心高度hz與可燃混合區(qū)Af的曲線圖。隨著后緣面面積的增加,支板后方低壓區(qū)增大,燃料穿透深度與擴散效果得到提升,因此H=1d的hz值大于H=3d,當后緣面積增大到一定程度后,“葫蘆形”燃料羽流下半部分的擴散能力也得到增強,使得靠近下壁面的燃料組分增多,燃料組分一定的情況下,羽流質(zhì)量中心高度hz便會有所減小。小支板高度從3d增加到4d時可燃混合區(qū)面積有顯著提高,從4d增加到5d時可燃混合區(qū)面積增加得并不顯著。根據(jù)仿真結果H/d=3、4、5的小支板出口截面總壓損失系數(shù)分別是10%、11%、12%。

圖10 不同高度小支板出口截面乙烯組分云圖與流線圖

圖11 不同高度小支板摻混特性數(shù)值比較

2.3 不同長度小支板對流場特性的影響

圖12是不同長度小支板羽流質(zhì)量中心高度、流場混合區(qū)與總壓損失系數(shù)曲線對比圖。L=12d的hz值與L=7d相當,L=2d的hz值偏小。與之相反的是L=12d的總壓損失系數(shù)與L=7d相當,L=2d的總壓損失系數(shù)值偏大。從流場混合區(qū)的面積看L=7d最好,L=2d較小,L=12d居中。由于支板越長暴露在流場中的面積越大,不僅會帶來較大的摩擦阻力,還會引入額外的冷卻負擔。

圖12 不同長度小支板摻混特性數(shù)值比較

如圖13,為進一步精確選擇合適的小支板長度,對L/d=6、8、9的小支板進行了數(shù)值模擬并與L=7d的數(shù)值結果進行對比。L=7d能取得較高的穿透深度與流場混合區(qū)面積并且總壓損失較低。由于目前對于三維復雜流場數(shù)值模擬還無法對連續(xù)的構型變化進行模擬,因此對具有特征價值的離散位置進行模擬具有較大意義。

圖13 不同長度小支板摻混特性數(shù)值比較

3 結論

文中在構型設計的基礎上對較優(yōu)構型進行了三維幾何尺寸優(yōu)化設計,對不同長、寬、高的小支板進行數(shù)值模擬,通過對比不同算例混合效率、穿透深度與總壓損失系數(shù)研究發(fā)現(xiàn):

1)小支板寬度越大從噴孔噴出的流線就越靠近小支板后緣頂部,說明小支板后緣面積越大低壓區(qū)范圍越大,射流近場穿透效果越好。

2)小支板越高后方射流穿透深度越大,但同時也帶來更大的總壓損失,并且當小支板高度繼續(xù)增加時射流穿透深度增加不明顯。

3)小支板長度對燃料空氣摻混特性影響不大,小支板過短會增大燃燒室總壓損失,過長會帶來額外的冷卻負擔。

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Numerical Optimization of Three Dimensional Size of Small Supported Plate in a Scramjet Combustion

HUANG Guibin,WU Da,WANG Yingyang,WANG Xudong

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

In order to improve the mixing performance of low pressure injection behind the small supported plate, the numerical simulation has been carried out to optimize the geometry size of small supported plate without front guide surface, and the influence geometric dimensions of different length, width and height on mixing efficiency, depth of penetration and total pressure loss were comparatively analyzed. By studies, it was noted that the bigger the width, the better the penetration of jet on near field, and the greater the height, the bigger the penetration depth, but it also brought a greater total pressure loss at the same time. The influence of length on mixing characteristics was little, but it would increase the total pressure loss on combustion chamber if the small supported plate was too short, and it would bring additional cooling load if the small supported plate was too long.

scramjet combustion; small supported plate; mixing enhancement; numerical simulation

2016-04-08

黃桂彬(1992-),男,四川成都人,碩士研究生,研究方向:飛行器設計與論證。

V235.11

A