高频阵列式能量沉积对超燃燃烧室性能影响的数值研究.pdf

引用格式:蔡子林 高峰 王宏宇等.高频阵列式能量沉积对超燃燃烧室性能影响的数值研究.航空兵器 ():.():.()高频阵列式能量沉积对超燃燃烧室性能影响的数值研究蔡子林 高 峰 王宏宇 马岑睿(.空军工程大学 防空反导学院 西安.中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所 四川 绵阳)摘 要:超声速来流具有较大的动量 致使横向射流受来流强压缩的影响难以具有较大的穿透深度 影响了射流在超燃燃烧室中的掺混效率 本文提出了利用能量沉积力、热扰动来辅助提升射流掺混效率的方法 并开展了数值模拟研究 通过求解带能量源项和化学反应源项的 方程 对比分析了施加在射流前和射流后的两种高频阵列式能量沉积分布方式对带凹腔的超燃燃烧室的影响 研究发现 能量沉积由于增大了射流诱导流向涡的尺度 可提升燃烧室乙烯燃料的掺混性能 能量沉积可提升燃烧室的燃烧效率 且分布在射流后方时燃烧效率较高 相比于基准工况提高了 能量沉积的加入略微降低了燃烧室总压恢复系数关键词:超燃燃烧室 能量沉积 流向涡 掺混 燃料喷注 总压恢复系数 冲压发动机 中图分类号:文献标识码:文章编号:():./.引 言超燃冲压发动机作为新一代推进装置 在高超声速巡航导弹、空天飞机等方面拥有广阔的应用前景 在超燃冲压发动机工作过程中 其内部的流动速度极快 导致燃料的驻留时间极短 在如此短的时间内如何保证燃料的充分混合燃烧是发动机设计中的关键问题研究人员以减小燃烧室长度为主要目标 在超燃冲压发动机燃烧室内部对利用主动控制方法或被动控制方法提高燃料混合效率的方法进行了广泛的研究 一些效果显著的控制方法如支板、台阶、脉冲射流、凹腔、气动斜坡、横向射流、悬臂斜坡喷油器和其他多种掺混方式的组合得到了广泛应用 提高燃料混合效率的一种技术是在流场中引入流向涡和回流涡 增加燃料的穿透深度 大量研究 表明 在超燃冲压发动机燃烧室中增加一个凹腔 并在凹腔上游设置横向射流 可以促进燃烧和火焰稳定 然而 凹腔和横向射流的组合使得燃料很难在超声速流动中达到充分的混合 此外 采用这种方法会给超燃冲压发动机带来总压损失 综上可以看出 目前迫切需要新的的方法来维持超燃冲压发动机燃烧室内稳定高效的燃烧 同时对流场造成最小的影响脉冲能量沉积技术作为一种主动控制方法 近年来引起了广泛的关注 它具有响应时间快、强度高、频带宽等特点 其工作状态可根据燃料流量进行调整 由于脉冲能量沉积激励器一般不侵入流场 可以避免侵入性机械装置带来较大的总压损失 近年来 能量沉积技术发展迅速 等 采用高清成像技术捕捉到电弧能量沉积在高速流场中的演化状态 证明了其产生的极速湍流膨胀效应对非预混多组分流动的掺混具有积极的促进作用 并研究了准直流放电对带凹腔的超燃燃烧室燃料掺混的影响 发现由等离子体热雍塞效应诱导的斜激波不仅增强了剪切层气体燃料的混合 而且增加了凹腔内的压力 有助于燃料的掺混和燃烧 等研究了脉冲能量沉积对圆管自由射流掺混的控制效果 研究表明一定激励频率下的脉冲能量沉积有效促进了射流剪切层大尺度结构的发展 并且当能量沉积位于射流上方时更有利于射流剪切层大尺度涡结构的形成和发展 能实现更好的掺混收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()国家重点研究开发项目()作者简介:蔡子林()男 重庆梁平人 硕士研究生通信作者:王宏宇()男 辽宁丹东人 博士 助理研究员 年第 卷第 期 年 月 航空兵器 .近年来 等实验研究了爆轰脉冲激励器与超声速射流的相互作用过程 研究表明 该激励器与射流的相对位置对掺混的影响较大 且存在最佳的激励位置 等研究了脉冲激光对超燃燃烧室中的掺混增强效应 发现重复频率的激光比单脉冲激光更有效 等采用数值模拟揭示了脉冲能量沉积可提高超声速气流与低密度超声速同向射流之间的掺混效果 发现射流与能量沉积相对位置是大尺度涡形成的关键 等研究了脉冲能量沉积作用下超声速圆管射流的混合增强机理 结果表明 能量沉积位于射流内部时要比位于上方在增强掺混上更有效流向高频阵列式等离子体能量沉积激励被尝试用于激波/边界层干扰的流动控制研究 该方法被认为是改变超声速流动的具有潜力的方法 阵列式能量沉积诱发的扰动会向下游传播 在超声速来流作用下增强并与流场中复杂的波系结构发生干扰 这可能也会在射流诱导流场中发生作用 产生掺混增强的效果 鉴于此本文采用数值模拟的方法 探索燃料喷孔上游或下游的阵列式脉冲能量沉积对带凹腔的超燃燃烧室掺混、燃烧性能的影响 物理模型和计算方法.物理模型以带凹腔的超燃燃烧室为研究对象 其物理模型如图 所示 其总长为 规定燃烧室入口处 整个上壁面保持 扩张角 燃料喷孔位于凹腔前缘 处 喷孔的半径为 燃料介质为乙烯 垂直于喷孔喷射 凹腔的长度 深度 后缘角 图 数值模拟物理模型示意图.本文将采用沿流向布局的能量沉积控制乙烯燃料的掺混和燃烧 沿燃烧室中心线分别布置在喷孔的下游(位置)和上游(位置)分别记为 和 没有能量沉积时 记为 如图()所示 将能量沉积区简化为体积为 的立方体加热区其间距 计算网格如图 所示 研究采用了分块结构化网格对凹腔及射流入口附近的网格进行了加密处理 网格总数为 万 第一层网格节点距离壁面 燃烧室入口采用压力远场边界条件 燃料喷孔设置为压力入口边界条件 燃烧室出口设为压力出口边界条件 包括凹腔在内 整个燃烧室壁面都采用无滑移、绝热壁面 对燃烧流场的模拟采用了单步乙烯化学反应速率模型 燃烧室来流 静温为 静压为 来流组分为干燥空气 燃料喷口总压为 .静压为 总温为 图 计算区域和网格.计算方法本文通过求解含能量项的雷诺平均 方程 模拟了有能量沉积和无能量沉积的超声速燃烧室的流场湍流模型选取 模型 该模型是 近壁 模型和分离区 模型的结合 本文之所以考虑使用该模型 因为它较好地预测了自由剪切流特性 并且对初值不敏感 与 模型相比 该模型对来流湍流度的敏感性较低 在计算带有逆压梯度的流场时也有较好的性能 和 的输运方程参见文献本文将能量沉积过程等效为焦耳加热过程 等将放电得到的功率波形简化为功率密度曲线 以热源项的方式带入 方程中进行耦合求解 得到的结果与纹影实验结果吻合 表明了该方法在模拟能量沉积上有效 本文采用图 所示的脉冲加热方式 其频率为 脉宽为 式()定义了能量沉积的功率密度:()()()()式中:为燃料质量分数 为刚好能够发生化学反应时所对应的燃油质量分数 为达到化学恰当比时 时的燃料质量分数 对于乙烯.同时定义最大浓度衰减曲线:截面最大浓度值随无量纲化的流向距离变化曲线 能有效反映燃料最大浓度值的下降速率与燃料掺混的快慢通过计算得到三种情形的沿 方向的混合效率曲线和沿 方向的乙烯最大浓度衰减曲线 如图 所示图 三种情况下 乙烯在 方向上的混合效率和乙烯最大浓度在 方向上的衰减曲线.由图()可知 三者的混合效率变化趋势基本相同:在 到 之间先增加后减少 逐渐上升逼近.相比 情形 和 情形的混合效率较大 在燃烧室出口处 混合效率比 提高了.混合效率比 提高了.表明能量沉积增强了乙烯的掺混效果 由图()可知 衰减速率 在燃烧室出口处 最大乙烯浓度 比 降低了 比 降低了 因为能量沉积作用在射流后方时直接影响了射流羽流 故 的掺混效果最好.高频阵列式脉冲能量沉积对燃烧性能的影响图 为三种情形燃烧流场 截面处乙烯组分云图(该图显示了.的部分)图()显示了三者乙烯组分高浓度区排序为 表明能量沉积已对乙烯的燃烧起到了促进作用由图()可知 的高浓度区变化程度大 为三者最小 且组分的分布较为均匀 从乙烯浓度的衰减程度可看出 中的乙烯消耗速率最快 而 乙烯蔡子林 等:高频阵列式能量沉积对超燃燃烧室性能影响的数值研究消耗速率最慢 则位于中间位置 这表明 能量沉积位于喷孔下游时更有利于乙烯的燃烧图 、在 时的平均质量分数云图.图 为三种情形相应的二氧化碳组分云图(.)中 组分的浓度明显低于后两者 且其组分分布更贴近于壁面 如图()所示 说明燃料的燃烧不充分 而由图()和图()可知 和 的 浓度较高 即燃烧更充分 这表明能量沉积的加入对乙烯的燃烧影响显著 而显然 中 组分的分布更广 即燃烧效率最高 定性分析 能量沉积位于射流下游时对燃烧室燃烧性能的改善程度较高定义燃烧效率如下:()式中:代表 截面上乙烯的质量分数 代表入口处乙烯的质量流量 计算得到三种情形乙烯沿 轴方向的燃烧效率 如图 所示 从图中可知 和 的燃烧效率均有提高 与 相比 情形出口位置处的燃烧效率提高了 而 情形提高了 这表明能量沉积位于射流下游相比于位于射流上游更能提升燃烧效率图 的平均质量分数云图.图 沿 轴的燃烧效率.虽然 和 在冷流中都有很好的混合效果 但在热流中燃烧效率差异很大 利用瞬态流场可以揭示产生这种现象的原因 图 为 的瞬态质量分数云图以及相应的瞬态速度云图 从图中观察到 在 和 中 由于能量沉积的作用 使剪切层上抬并产生脉动 从而导致凹腔内回流区增大 而 的剪切层波动更加强烈 这是因为射流激波可以增强能量沉积的扰动 可能使凹腔卷吸能力下降 因此进入凹腔的乙烯组分减少 图 显示了三个工况的平均温度轮廓 结果表明:中凹腔的高温区范围较大 表明燃图 三种工况下 在 处沿 方向的 的质量分数和速度云图.航空兵器 年第 卷第 期料已经充分燃烧 说明 不仅具有良好的掺混效率而且具有良好的火焰稳定能力 可以显著提高燃烧效率图 三种工况下的时间平均温度云图 .高频阵列式脉冲能量沉积对凹腔总压恢复系数的影响图 显示了三种情形乙烯燃烧流场中 凹腔后缘附近的近壁面处压力云图和等值线分布图(凹腔为对称结构)由图 可知 由于气流的撞击 压力峰值区域出现在凹腔后缘两侧位置 整体上 与 相比 和 凹腔后缘区域的压力峰值明显减小 产生这种现象的原因是:首先 能量沉积对原剪切层产生了扰动 减小了剪切层中流体介质向下游的扩散速度 同时能量沉积使得凹腔内温度升高 剪切层上抬 减轻了原剪切层和凹腔后壁碰撞 其次 由于能量沉积对来流的阻滞作用 使燃烧室中心的来流减速 使得气流向加热区的两端分散 故导致凹腔后缘中线附近的压力明显降低 剪切层对凹腔的撞击会给发动机的总压恢复系数带来损失 而综合来看 能量沉积的加入可以减少发动机带来额外的总压损失图 凹腔后缘附近近壁面压力云图.对超燃燃烧室来说 总压恢复系数是一个重要指标总压恢复系数越高 燃烧室出口气流做功越强 其总压恢复系数表达式如下:()式中:为燃烧室总压的表达式为()式中:为气流流过 截面的速度 为 截面处密度表 为燃烧室的总压恢复系数 由表可知 在加入能量沉积后 燃烧室的总压恢复系数均有一定程度的下降 其中 下降了.左右 而 也下降了.左右 但与基准流场相比 变化均不大 能量沉积的引入虽然会带来一定的总压损失 但并不显著 因为同时凹腔后缘的压力降低了表 燃烧室的总压恢复系数 .结 论本文采用数值模拟方法研究了高频脉冲能量沉积对带凹腔的超燃燃烧室的影响 比较了两种脉冲能量沉积的分布方式 即位于乙烯喷孔的上游和下游 研究表明:()能量沉积分布在射流喷孔上游和下游均可有效提高乙烯燃料的掺混效率 其分布于喷孔下游时 燃烧室出口位置的混合效率较基准工况提高了.而分布于喷孔上游仅提高了.()脉冲能量沉积的加入可有效提高燃烧效率 其分布于喷孔下游时 燃烧室出口位置的燃烧效率较基准工况提高了 而分布于喷孔上游时仅提高了()能量沉积加入时 凹腔后缘中线附近的压力明显降低 凹腔后缘两侧的压力峰值减小()对于燃烧流场 能量沉积加入时 燃烧室的总压恢复系数略微减小参考文献:.():.():.:.():.蔡子林 等:高频阵列式能量沉积对超燃燃烧室性能影响的数值研究 /:.:.():.():./.():./.():.():.():./.:.:.():.():.:.:.:.():.(.):.:航空兵器 年第 卷第 期