冲压发动机燃烧室进气畸变模拟装置设计及试验

2016-06-23王寅会赵书苗凌文辉

实验流体力学 2016年1期

关键词：总压马赫数畸变

王寅会, 张炎, 裘云, 赵书苗, 凌文辉

(中国航天科工集团三十一研究所, 北京 100074)

冲压发动机燃烧室进气畸变模拟装置设计及试验

王寅会*, 张炎, 裘云, 赵书苗, 凌文辉

(中国航天科工集团三十一研究所, 北京 100074)

设计畸变模拟装置是冲压发动机中解决进气道和燃烧室匹配问题的一个经济有效的手段。提出采用非均匀开孔率孔板作为进气畸变模拟装置。研究结果表明，因孔板局部位置堵塞比存在差异，气流经过后，下游截面的流量、压力和马赫数会产生梯度变化，进而形成畸变流场，通过数值计算、对比结果及改进开孔率的循环优化过程后，最终得到的流场在分布规律及数值上均与目标流场吻合较好。经试验验证，试验结果与目标流场分布规律一致，马赫数畸变指数偏差小于5%，证明了方法的可行性。

冲压发动机；进气道；燃烧室；畸变模拟装置；试验

0 引言

亚燃冲压发动机复杂的进气道型面往往导致燃烧室入口存在较大的流场畸变，而流场的不均匀性对燃烧室性能及稳定工作有重要影响[1]。为获得准确的燃烧室性能，一般需开展全尺寸的进气道与燃烧室的联合试验，但在发动机的初始研究阶段，方案变动频繁，而加工全尺寸进气道试验件耗费巨大，因此采用畸变模拟装置替代进气道模拟燃烧室入口流场显然是一种更加经济有效的手段。

目前关于畸变模拟装置的研究多以航空发动机为背景。插板式畸变模拟器是最为常见的畸变模拟装置[2-7]，其特点是结构简单、通用性好、安装方便，通过调整模拟器安装方位及插板高度即可实现对不同畸变流场的模拟。此外，其它结构类型的畸变模拟装置还包括金属网结构[8]、多层板结构[9]以及形状各异的扰流板结构[10-12]等。这些畸变模拟装置的共同点是在畸变度大小的模拟上与实际流场有较高的一致性，但对流场分布的模拟精度较差，这主要是由于航空发动机中更加关注畸变度对发动机工作稳定性的影响，因而在设计上着重于畸变度大小的模拟，而流场分布只要求近似即可[9]，但在冲压发动机中，进气道紧邻燃烧室，进气道出口流场分布规律直接影响燃烧室供油喷孔的排布及火焰稳定器的设计，因此要求模拟的流场分布必须精确。

本文采用非均匀开孔率孔板作为燃烧室进气畸变模拟装置并进行了试验验证，该装置在设计思路上更侧重于对流场分布的模拟，对冲压发动机燃烧室设计具有较强的指导性。

1 设计流程

本文设计的畸变模拟装置(简称畸变模拟器)是一种非均匀开孔率的孔板结构，其基本原理是利用孔板不同位置局部堵塞比的差异，均匀气流经过后流量在同一截面的分配不同，进而导致截面的压力和马赫数等参数存在梯度，即产生畸变流场。图1为畸变模拟器的设计流程。首先分析真实的燃烧室入口截面流场，即分析目标流场的压力或马赫数分布，之后根据流场等高线谱划分若干区域，不同区域布置不同开孔率的气孔阵，形成三维模型后采用数值仿真的方法对流场进行计算并与目标流场进行对比，期间通过反复迭代计算和对比的方式优化畸变模拟器的开孔率，最后采用与目标流场相似度最高的方案进行试验验证。

图1 设计流程

2 设计方法及步骤

2.1 目标流场分析

2.2 区域划分及气孔布置

根据图2目标流场的Ma分布规律，可以按照梯度大小将截面划分为7个区域，如图3所示，在不同区域布置开孔率不同的气孔，由于开孔率导致堵塞比存在差异，均匀气流经过后在下游同一截面上的压力及速度会呈现梯度，调整各区域的开孔率大小，梯度大小即会发生变化。图2中显示Ⅰ区域马赫数最大，因此开孔率也应最大，之后依次减小，Ⅶ开孔率最小。根据经验，孔板开孔率最大可达到75%左右，最小约10%，因此在首次布置气孔时，最高马赫数区域开孔率可设计为75%，最低马赫数区域开孔率为10%，其它区域根据马赫数下降斜率依次给定，例如，Ⅱ区马赫数为0.5，则开孔率=75%-(75%-10%)/(0.55-0.05)×(0.55-0.5)=68.5%。图4为畸变模拟装置开孔示意图。

图2 目标流场截面马赫数云图

2.3 计算模型及边界条件

畸变模拟装置气孔布置完毕后采用Fluent软件进行三维的流场计算并与目标流场进行对比，期间需反复根据对比结果优化开孔率。

图3 区域划分图4 畸变模拟装置开孔示意图

Fig.3 Zone division Fig.4 Distortion simulation board with holes arrangement

计算模型如图5所示(几何结构及尺寸与实际情况相同)，网格为非结构化网格，湍流模型选用标准k-ε模型，采用基于压力的隐式求解器求解，计算精度为一阶。边界条件如下(进出口条件与实际工况相同)：

进口：流量9.5kg/s(1/2模型)，总温764.9K。

出口：压力115kPa，温度764.9K。

计算模型壁面采用绝热、速度无滑移条件。对称面设为Symmetry。

图5 计算模型

2.4 最终计算流场结果分析

经反复迭代优化后，可得到与目标流场吻合度最高的开孔方案。最终方案中Ⅰ区开孔率最大，为72%；Ⅶ最小，为15%，平均开孔率约49%，总压恢复系数约74%。由于畸变模拟器整体的平均开孔率较小，流动损失要大于一般的整流孔板。

图6 数值计算马赫数云图

3 试验验证

3.1 试验系统

试验系统如图7所示，主要包括进气、排气、测量和控制4大系统。

图7 试验系统

试验在高空舱内进行，气流在进入高空舱之前由加热器加热到试验状态所需温度，然后通过流量喷管控制流量，经过畸变模拟器和压力测量装置后流入排气系统。排气系统中的引射装置对高空舱抽反压，以确保测量段出口压力满足试验要求。整个试验过程中，测量系统通过测量传感器、信号处理器和数据采集卡完成数据采集，然后反馈给计算机进行统一控制。

3.2 试验状态及测量参数

本次试验的目的是验证畸变模拟器后流场与仿真计算结果及目标流场的一致性，因此试验状态与实际条件相同，进气总温764.9K，进气总压0.325MPa，空气流量19kg/s，出口压力115kPa。试验中通过控制流量喷管前的气流总温Ttm和总压ptm来模拟进气条件(测量位置见图7)，而出口压力pn由排气系统对高空舱抽反压控制。

在畸变模拟器下游燃烧室入口位置布置8个总压测量耙用来测量畸变流场压力pt2的分布，每个测量耙按照等面积布置测点5个，测点1～5由外到内分布，图8为测点示意图。

图8 总压测点分布

3.3 试验件

畸变模拟器试验件如图9所示，其开孔布局与仿真计算方案相同且左右对称。试验件与总压测量耙对应位置如图所示，测量耙4对应开孔率最小，即低马赫数区域，测量耙1对应开孔率最大，即高马赫数区域。

图9 畸变模拟装置结构示意图

3.4 试验结果分析

图10为试验中燃烧室入口总压pt2各测点数值随时间的变化规律。由图可知，在约14s的时间步长内，各测点数据基本不变，说明试验状态稳定，测量数据有效。其中平均总压最高的为测量耙1，之后依次为2、8、5、3、7、6，测量耙4的总压最低。此分布趋势与图9中试验件摆放位置完全对应，测量耙1和2对应试验件开孔率最大区域，气流流量最大，因此压力较高，而测量耙4、6、7位置开孔率较小，对应的总压也较低。

(a) Rake 1

(b) Rake 2

(e) Rake 5

(f) Rake 6

(g) Rake 7

(h) Rake 8

根据各测点的总压测量结果，利用OriginPro8软件可描绘出燃烧室入口截面等压及等马赫数线图，如图11和12。对比图2和6，试验所得流场的马赫数分布规律与目标流场及仿真计算流场基本一致，各马赫数位置及范围吻合较好，验证了设计方法的可行性。

图11 试验所得总压分布图图12 试验所得马赫数分布图

Fig.11 Experimental total pressure contour line Fig.12 Experimental Mach number contour line

4 结论

针对亚燃冲压发动机燃烧室进气畸变流场，本文提出采用非均匀开孔率孔板作为畸变模拟装置并进行了相应的试验验证。结果表明，采用该方法设计的畸变模拟装置，其模拟流场无论在分布规律还是数值上均与实际流场吻合较好，马赫数畸变指数偏差小于5%，证明了设计方法的可行性，对冲压发动机进气道与燃烧室的匹配设计具有较强的指导意义。

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(编辑：李金勇)

Design and experimental demonstration of distortion simulation board of ramjet combustor

Wang Yinhui*, Zhang Yan, Qiu Yun, Zhao Shumiao, Ling Wenhui

(The 31stResearch Institute of CASIC, Beijing 100074, China)

Design of distortion simulation board is an economic and efficient way to solve the matching problem between the inlet and the combustor of the ramjet. A method of designing the distortion simulation board for the ramjet combustor is put forward and proved by experiment. The results show that an orifice plate with nonuniform holes of design can serve as the distortion simulation board, and the simulation flow field is in good agreement with the target flow field. The method is applicable in experiments and design of ramjet combustors.

ramjet;inlet;combustor;distortion simulation board;experiment

1672-9897(2016)01-0107-06

10.11729/syltlx20150033

2015-03-02;

2015-07-19

WangYH,ZhangY,QiuY,etal.Designandexperimentaldemonstrationofdistortionsimulationboardoframjetcombustor.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(1): 107-112. 王寅会, 张炎, 裘云, 等. 冲压发动机燃烧室进气畸变模拟装置设计及试验. 实验流体力学, 2016, 30(1): 107-112.

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