空气节流对煤油燃料超燃燃烧室燃烧性能影响

田 野，杨顺华，肖保国，乐嘉陵

(中国空气动力研究与发展中心吸气式高超声速技术研究中心，绵阳621000)

0 引言

在超燃冲压发动机燃烧室内燃料与空气的混气流速较高，混合时间较短。实现燃料的高效混合、起动点火和稳定燃烧是超燃冲压发动机燃烧室设计的关键技术。空气节流是一种有效地实现燃料高效混合、起动点火和稳定燃烧的措施。空气节流的喷入对流场产生了临时堵塞效应，促使流场内激波串结构的产生。激波串的存在影响了流场的热力学参数，减小了流场的马赫数，提高了流场的静温静压，有利于燃料的混合和发动机燃料的稳定燃烧，同时燃烧释放的热量又可以维持激波串的稳定存在，因此在燃料燃烧释热一定时间后撤去空气节流，燃料可以稳定的燃烧。

文献［1－2］针对其直连式发动机模型，研究了入口马赫数2．2时，空气节流对流场结构和燃烧性能的影响。结果显示:空气节流增强了燃料混合，提高了燃烧性能，无空气节流时燃料点火成功后，时间不久便熄灭;有空气节流时燃料稳定燃烧，壁面压力较高。文献［3］采用试验方法研究了空气节流对液态JP7点火的影响，研究表明当燃料释热充足时，节流产生的激波串可以稳定的存在，并可反作用维持燃料的燃烧;当燃料释热不足时，激波串不能稳定存在，最终火焰熄灭。文献［4］做了液态煤油燃料的空气节流试验，隔离段入口马赫数3，采用火炬点火器作为稳焰措施，结果表明:煤油在空气节流存在的情况下可以被点燃，没有空气节流则不能被点燃，燃料当量比增加时，所需空气节流的流量减小。文献［5］在凹槽稳焰器下游布置空气节流装置研究了空气节流对超燃冲压发动机燃烧性能的影响，结果表明，节流激波串扩大了低动量区域，燃料混合良好，混合效率由40%提高到了85%，燃烧效率由10%提高到了60%。

研究空气节流对超燃冲压发动机燃烧性能的影响具有重要意义，在已有对乙烯燃料超燃冲压发动机空气节流性能影响研究的基础上，进一步考察空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧性能的影响，并考察节流参数对节流效果的影响。

1 数值模拟方法

1．1数值求解方法

数值模拟采用我中心自行开发的大规模并行软件AHL3D，该软件可以模拟二维或三维、定常或非定常、完全气体或化学非平衡流动［6］，软件可靠性得到了广泛验证［7－10］。湍流模型采用Kok提出的TNT k－ω模型［11］。非定常算法采用二阶精度的双时间步方法，子迭代采用LU-SGS方法，子迭代最大步数取为15步。计算中真实时间步长为1×10－7s，每个真实时间步的计算过程中，全局残差将下降两个量级以上，计算的时间精度可以保证。求解三维化学反应控制方程采用隐式有限体积法离散，无粘对流项离散采用Van Leer提出的MUSCL方法，粘性通量的计算方法采用Gauss定理构造方法，煤油化学动力学模型采用我中心简化的十二步煤油简化模型。考虑到三维非定常热流数值模拟耗时较大，因此本文数值模拟采用二维模拟，三维效应虽然在实际数值模拟中不能忽略，但在本文考察的直连式矩形截面燃烧室时，二维数值模拟是可行的、合适的［12］。

1．2模型与计算条件

发动机横截面为矩形见图1，隔离段入口面积为30 mm×150 mm，全长1072 mm;隔离段全长300 mm，包括等直段220 mm和1．4°扩张段80 mm;凹槽深11 mm，长深比为11;凹槽后部为105 mm长的1．4°扩张段，145 mm的2°扩张段，142 mm的8°扩张段和262 mm的15°扩张段四部分。煤油喷入点设置在模型上下壁面，如图1中K1～K4四处，分别距离发动机入口325 mm、525 mm、315 mm和525 mm，各位置当量比分别为0．1、0．2、0．1、0．2。煤油/氧气点火器位于发动机凹槽内，距离模型入口375 mm，点火器中煤油当量比为1．0，点火器流量为11 g/s。节流位置与凹槽同侧，距离发动机入口575 mm。

图1 超燃冲压发动机燃烧室几何结构图Fig．1 of a scramjet combustor

发动机入口马赫数2．0，静温656．5 K，静压0．125 MPa．来流为污染空气，N2、O2、H2O的摩尔比例为67∶21∶12，关于污染组分的影响，公开发表的文献较多，在此不再讨论。计算采用绝热壁面条件。计算网格在壁面、喷油、节流处加密。为了便于考察流场内时时变化情况，数值模拟过程中设置了9个压力信号监测点，坐标见表1，坐标原点位于发动机下壁面入口处。

表1 监测点几何坐标Table 1 Coordinates of the monitoring points

本文推力(Fthrust)的计算采用如下公式:

其中下标“e”表示发动机出口参数，下标“i”表示发动机入口参数，表示发动机入口的空气质量流量，表示煤油质量流量。

1．3节流时序

本文采用的节流时序见图2，无化学反应流场初步稳定后开始空气节流，随后煤油燃料喷入，点火器打开，一段时间后，点火器关闭，待燃烧释热一段时间后，撤去空气节流。计算中定义冷流初步稳定后的某一时刻t0=－1．0 ms，空气节流开始的时刻t1=0．0 ms，燃料喷入和点火器打开的时刻t2=2．0 ms，点火器于2．6 ms关闭。本文考察的全部状态如表2．

图2 节流与非节流的时序图Fig．2 of the scramjet combustor with and without air throttling

表2 各研究状态Table 2 The studying cases

2 结果与讨论

2．1空气节流对发动机燃烧性能影响

图3给出了没有实施空气节流时，流场部分压力监测点随时间的变化情况，从图中可以看出流场在8 ms后稳定，监测点的压力不在变化。图4给出了流场建立过程中(2．4～4．6 ms)和流场稳态时刻(20．0 ms)的二氧化碳分布情况。从图中可以看出，燃料首先发生燃烧的位置在温度较高，压力较高，速度较低的凹槽后台阶处，随后火焰沿上壁面向后发展，在t=3．0 ms时刻，火焰已经发展到燃烧室出口，此时下壁面燃料开始燃烧;随着时间的继续进行，火焰开始向凹槽前部传播，最终燃料集中在上壁面燃烧，下壁面燃料燃烧稳焰失败。图5给出了Case 2(空气节流流量为入口空气流量的5%)算例流场压力监测点的变化情况。从图中可以看出，在12．0 ms后，流场呈现周期性振荡，振荡周期约为3．05 ms，频率为327．87 Hz，最大振幅位于发动机隔离段内的压力监测点1，大小为0．38 MPa。图6给出了Case 2中流场建立过程和稳定时刻的二氧化碳云图。对比图4可以看出，最大的不同是下壁面二氧化碳稳定存在，即下壁面火焰稳定成功。因此说空气节流的实施有助于燃料的稳定燃烧。下面将分析造成这一现象的根本原因。

图3 无节流时燃烧室监测点压力随时间变化Fig．3 Pressure of different monitors of the scramjet combustor without air throttling changing over time

图4 无节流时发动机内二氧化碳变化情况Fig．4 Evolution of the carbon dioxide field of the scramjet without air throttling

图5 Case 2条件下燃烧室监测点压力随时间变化Fig．5 Pressure of different monitors of the scramjet combustor under Case 2 condition changing over time

图6 Case 2条件下发动机内二氧化碳随时间变化Fig．6 Evolution of the carbon dioxide field of the scramjet under Case 2 condition．

图7给出了3．0 ms时刻有无空气节流时流场质量加权速度和温度的对比结果。之所以对比t=3．0 ms时刻流场的热力学参数异同，是因为在t=3．6 ms时刻，有无空气节流时，流场的燃烧状况出现了明显的异同。在t=3．6 ms时，无空气节流的流场内下壁面的二氧化碳开始向后移动，最终随着时间的发展，火焰熄灭;有空气节流的流场内二氧化碳开始沿着下壁面向前传播，最终在下壁面台阶后稳定燃烧。从图7中可以看出，在隔离段出口处，即燃烧室入口处，有空气节流的质量加权速度较低，约在750 m/s，而无空气节流的质量加权速度约为1050 m/s;有空气节流的质量加权静温约为1350 K，无空气节流的质量加权静温约为680 K。较低的速度有助于燃料空气的混合，较高的静温有助于混气的起动点火。由此可见燃烧室内流场的热力学参数在空气节流的作用下发生了明显的改变，有助于燃料点火的实现。根本原因是空气节流的堵塞效应促使了激波串的产生，激波串的形成迫使了流场热力学参数的改变，图8进一步给出了3 ms时两种情况下的流场马赫数云图和等值线图，从图中可以看出两种情况下，凹槽部位的波系存在明显的区别，有空气节流的流场内存在着激波串结构，无节流的流场内存在着膨胀波波系。对比图3和图5可以看出，有空气节流时，激波串已经影响至监测点Monitor 2。图9和图10给出了稳态时刻有无空气节流时发动机的上壁面压力和流场的质量加权马赫数曲线图，有空气节流的最高压力约在0．5 MPa，无空气节流的最高压力约为0．2 MPa;表3给出了两种情况下的推力大小，从表中可以看出，有空气节流作用的发动机，推力提升明显，约为没有实施空气节流的发动机推力的3倍。因此可以说，空气节流的实施提高了发动机的推力性能。从质量加权马赫数可以看出，两者的燃烧模态明显不同，无空气节流的超燃冲压发动机处于超燃模态，有空气节流的超燃冲压发动机处于亚燃模态，因此可以说，空气节流可以改变发动机的燃烧模态。

图7 t=3．0 ms时发动机内有无节流时质量加权速度和温度变化情况Fig．7 Mass averaged velocity and temperature of the scramjet combustor with and without air throttling at t=3．0 ms

图8 t=3．0 ms时发动机内有无节流时马赫数云图和等值线图Fig．8 Mach number contours of the scramjet combustor with and without air throttling at t=3．0 ms．

图9 t=20．0 ms时发动机内有无节流时壁面压力变化情况Fig．9 Pressure of the wall with and without air throttling at t=20．0 ms

图10 t=20．0 ms时发动机内有无节流时质量加权马赫数变化情况Fig．10 Mass averaged Mach number with and without air throttling at t=20．0 ms

表3 有无空气节流时推力大小Table 3 Thrust with and without air throttling

从本小节的结果可以看出:空气节流可以有效的实现超然冲发动机的火焰稳定，是一种有效地火焰稳定辅助措施;空气节流可以提高发动机的推力性能，促使发动机的燃烧模态发生改变。

2．2节流参数对节流效果的影响

空气节流时序是多过程的，复杂的，节流参数对节流效果影响较大，因此本小节主要考察节流流量和节流撤除时间对节流效果的影响。从研究状态表2中可以看出，主要对比了5%、10%和20%三种节流流量的影响，以及在10%节流流量时，节流晚撤除0．4 ms对燃烧的影响。

图11给出了Case 3节流流量10%时的部分压力监测点变化情况。从图中可以看出，除Monitor1以外的各压力监测点压力均较高，通过前面分析得知，火焰稳定成功，下壁面得以稳定的燃烧。同时对比图5可以看出，压力监测点的压力并没有随时间发生振荡现象，也就是说节流流量提高抑制了流场的振荡。图12给出了产生这一现象的原因，图中给出了涡量的分布情况，从图中可以看出两者涡量较大的位置不同，容易分析得知，上下壁面两处较大的涡量位置对应了燃烧反压产生的激波串的头部，由于Case 2的5%节流流量堵塞效应较弱，产生的激波串前传距离较短，且恰好处在隔离段后半段的1．4°扩张开始的拐点处，由于燃烧产生的小幅脉动促使激波串头部在扩张拐点前后变化，我们知道隔离段扩张部分有助于抑制燃烧反压前传，但等直段的抑制作用较低，因此当激波串头部荡出拐点时，就会向前突然一跃，当燃烧脉动向后时，激波串头部又回到了扩张段内，如此反复，造成了激波串在隔离段内较大幅度的振荡，也正是因为此，我们可以看到，振荡只是大幅度的发生在隔离段内，而燃烧室段只是小幅的燃烧脉动。而10%的节流流量堵塞效应较大，激波串被推出了隔离段扩张拐点处，因此激波串只会随着火焰的小幅脉动而脉动，并未出现大幅振荡。图13给出了四种节流条件下的压力变化情况，从图中可以看到，随着节流流量的增加，发动机的壁面压力越来越大，并且不断向前扰动，最终20%的空气节流流量促使反压扰出隔离段。燃烧反压的增大将显著影响进气道的起动［13］，进气道不起动直接导致升阻力系数骤增［14］。另一方面对比Case 3和Case 4可以看出，由于节流撤除较晚，堵塞流场时间较长，燃烧反压同样向前传播较远。

通过本小节分析得知，空气节流参数对节流效果有着较大的影响，节流流量和撤去节流的时间的增加，燃烧愈加猛烈，反压可能扰出隔离段，影响进气道起动。

3 结论

图11 Case 3条件下燃烧室监测点压力随时间变化Fig．11 Pressure of different monitors of the scramjet combustor under Case 3 condition changing over time

图12 t=12．0 ms时Case 2和Case 3条件下燃烧室内涡量变化情况Fig．12 Vorticity magnitude contours of the scramjet combustor under Case 2 and Case 3 condition at t=12．0 ms．

图13 t=20．0 ms时各节流状态下的发动机壁面压力变化情况Fig．13 Pressure of the wall with air throttling at t=20．0 ms under different cases condition

通过非定常数值模拟考察了空气节流的稳焰效果以及节流参数对节流效果的影响，主要有:空气节流有效地实现了煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定燃烧，节流条件下发动机下壁面的燃料可以稳定燃烧，无节流条件下发动机下壁面火焰稳定失败，最终熄灭。空气节流可以有效地提高发动机的推力性能，并且可以改变发动机的燃烧模态。当空气节流流量为5%入口空气流量时，燃烧流场存在周期性振荡的现象，改变节流流量可以消除振荡现象。节流参数对节流效果影响较大，随着节流流量和节流撤除时间的增加，燃料燃烧更加剧烈，壁面压力上升明显，反压扰动位置逐渐前移，可能影响进气道的起动。在本文条件下，采用10%入口空气流量作为节流流量是合适的。

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