军用高超飞行器超燃燃烧室悬臂斜坡喷注器喷注方式优化

王 政, 张 涵, 龙振国, 王建军,

(1 空军工程大学, 西安 710051; 2 93448部队, 天津 300000; 3 95100部队, 广州 510000)

0 引言

高超声速发动机技术作为一个重要的航空航天技术,将对世界军事战略格局以及军事力量对比产生重大影响[1]。由于军用高超声速飞行器超燃发动机内燃料停驻时间短,燃料掺混成为军用高超声速飞行器发动机关键技术[2]。物理斜坡掺混作为常见的燃料掺混增强装置常常运用于超燃冲压发动机的研究中[3]。Sislian和Schumacher[4-7]结合传统物理斜坡和小角度壁面喷注技术,设计了一种全新悬臂斜坡喷注方案。在相同来流条件下,悬臂斜坡喷注器在远流场的燃料掺混效率比传统物理斜坡喷注器高出了45%,但同时也增加了20%的总压损失[8]。国内黄伟等[9]将悬臂斜坡构型首次运用于超燃冲压发动机燃烧室内,并进行了数值优化。

为改善悬臂斜坡喷注器射流流场特性,文中参考壁面射流喷射方式研究相关成果,针对悬臂斜坡喷注器喷射方式两个方面进行优化。根据杨银军[10]对壁面射流不同喷射角度对流场特性的影响探索悬臂斜坡喷注器喷射角度的改变对流场的掺混效率、穿透深度以及总压损失的影响;以Ogawa[11]通过数值分析方法探究改变射流喷孔形状为依据,探究悬臂斜坡喷注器喷孔形状的改变对流场特性的影响。

1 模型与算例

为方便研究悬臂斜坡喷注器构型的探究,将超燃燃烧室简化为长度169 mm的通道,该通道截面为矩形,尺寸为20 mm×32 mm。悬臂斜坡喷注器中喷孔与超燃燃烧室入口距离为35 mm,为方便建立模型,悬臂斜坡喷注器初始算例喷孔设置为方孔,边长为2.4 mm。设置算例条件:入口总温为Tt=1 200 K,来流速度为2Ma,静压大小为p=1.08 MPa,总压大小为pt=0.85 MPa,方形喷孔喷射燃料为乙烯,其中喷射总压为pt=2 000 kPa,静压为p=1 400 kPa,总温为Tt=300 K。算例采用在预测近壁面区绕流和旋流更有优势的κ-ωSST湍流模型,算例网格为结构化网格,并针对悬臂斜坡及悬臂斜坡喷注器喷孔附近的网格加密,各算例网格数保持在300万左右。为深入研究不同喷射角度对流动特性的影响,保持初始算例喷孔高度、悬臂宽度、斜坡膨胀角度等构型参数一致,设置喷射角度γ为0°、5°、15°、30°等4种不同算例,在算例设置时保证悬臂斜坡位置及喷孔高度不变;为研究不同喷孔形状对流场的影响,文中设置了不同喷孔形状的5个算例,分别为正方形、圆形、菱形(长轴与短轴之比为2∶1)、等腰三角形(高与底边之比为2∶1)、长方形(长宽比为2∶1)。各算例斜坡构型、喷孔面积、质心高度、喷射角度均保持一致,通过改变喷孔形状分析对流场特性的影响。图1(a)是三维燃烧室结构示意图,图1(b)为初始算例悬臂斜坡结构示意图,图1(c)为不同喷射角度示意图,图1(d)为不同喷孔结构示意图。

2 计算结果与分析

2.1 喷射角度对流场特性的影响

图2为不同喷射角度算例在喷孔附近(Z=0 mm、Y=0 mm、X=5 mm、X=15 mm以及X=25 mm截面)的压强云图与流线图。观察对称面Z=0 mm压强云图,发现紧贴喷孔射流上方的弓形激波b强度随着喷射角度的增加而明显增大,这是由于喷孔射流与来流流线直接作用,随着喷孔角度的增大而变强,弓形激波的增强可增加构型的总压损失,但当弓形激波强度过大时,构型也由于喷射角度的增大使弓形激波对射流的直接作用增大,这反而会减弱射流在靠近喷孔位置的穿透深度。同时位于喷孔下部靠近壁面处的激波c强度随着喷射角度的减小而增大,该激波强度的增大会使其与射流的直接作用增大,从而影响射流的穿透深度。对比射流流线在X=25 mm截面的高度对比,发现随着喷射角度的增大,射流流线更多集中于流向涡的顶端,说明喷射角度的增加可明显增强射流的穿透深度。分析X=5 mm、X=15 mm以及X=25 mm截面的流向涡,所有构型在X=25 mm处均形成了一对位于主流的主流向涡以及贴近壁面的流向涡,且涡核高度及大小变化不大,说明喷射角度的变化对流向涡发展影响很小,但在X=5 mm处位于主流的流向涡涡核高度随着喷射角度的增大而增大,涡核高度的提高可增大射流的穿透深度。

图3为4种构型可燃混合区Af/Ai(Ai为喷孔面积)[12]、羽流质量中心高度hZ[13]、总压损失系数曲线对比[14]。从可燃混合区面积对比可以看出,在流场近场4种构型的差别不大,但在X=70 mm后,可燃混合区面积大小可表示为γ=5°>γ=0°>γ=15°>γ=30°,这与上述定性分析结论一致。比较羽流质量中心高度,发现喷射角度的增加使羽流质量中心高度随着增加,但γ=30°构型在X=20 mm至X=80 mm处的羽流质量中心高度较其他构型的优势不明显甚至出现低于其他构型的现象,这是由于该构型弓形激波强度过大,其过大的喷射角度使弓形激波对射流的直接作用增大,从而减弱了射流在靠近喷孔位置的穿透深度。总压损失大小可表示为γ=0°<γ=5°<γ=15°<γ=30°,这是由于随着喷射角度的增大,喷孔射流上方的弓形激波强度也随之增大,从而使总压损失增大。综上所述,喷射角度的增大可增加射流的穿透深度,但会带来掺混效率的下降,同时造成更高的总压损失。此外,过高的喷射角度会造成射流在流场近场处穿透深度的降低;过低的喷射角度也会造成算例的掺混效率的下降。经综合比较,喷射角度为γ=5°算例较其他3种喷射角度更为理想。

2.2 悬臂斜坡上不同喷孔形状对射流流场的气动特性影响

图4为各个构型在X=50 mm切面上乙烯组分云图,由于长方形在此截面上的乙烯组分云图与方形的形状差异并不大,故文中不再给出长方形在此截面的乙烯组分云图。从云图可以看出,各构型乙烯高浓度核心区主要集中在向壁面伸展的a区乙烯组分,a区面积大小及高度决定着各构型的穿透深度大小。方形喷孔a区乙烯组分面积最小,且乙烯浓度分布均匀,并没有形成明显的乙烯高浓度核心区,乙烯组分主要分布在高度更高的b区,且方形喷孔在该位置截面的乙烯组分云图中乙烯组分最高点明显高于其他喷孔形状构型,说明方形的穿透深度明显优于其他构型。比较其他3种构型,圆形喷孔与菱形喷孔a区乙烯高浓度核心区高度相似,但圆形喷孔乙烯组分最高点明显高于菱形喷孔,因此可推测圆形喷孔穿透深度优于菱形喷孔。三角喷孔由于乙烯组分主要集中于高度较低的a区,且乙烯高浓度核心区高度明显低于其他构型,因此认为三角喷孔穿透深度最差。因此,推测4种构型的穿透深度:方形喷孔>圆形喷孔>菱形喷孔>三角喷孔。观察此截面各构型的展向扩展,可发现菱形喷孔和三角喷孔的展向扩展明显强于方形喷孔与圆形喷孔。

图5为各构型算例在喷孔附近(Z=0 mm、Y=0 mm、X=5 mm、X=15 mm以及X=25 mm截面)压强云图与流线图。观察对称面Z=0 mm压强云图,由于斜坡构型均保持一致,斜坡前沿的激波a强度均相同。喷孔形状的改变主要改变了喷孔射流上方的弓形激波b以及喷孔射流下侧的激波d,根据观察可知,弓形激波b以及激波d强度大小的变化主要取决于喷孔上下沿锐利度的大小,喷孔上沿越锐利,弓形激波b的强度越小,同理,喷孔下沿越锐利,激波d的强度越弱。首先观察弓形激波b,方形喷孔由于喷孔上沿为其一条边,明显钝于其他构型的上沿,方形喷孔构型的弓形激波b强度也随着明显大于其他构型。三角喷孔由于下沿为一条长度长于其他构型的边,也明显钝于其他构型的下沿,激波d也远远大于其他构型。菱形孔由于上下沿均为角度最小的角,因此它的两种激波强度均为最小。两种激波直接决定着总压损失的大小。方形与长方形喷孔的射流流线趋势较为相似,在X=25 mm处均集中为两束,一束位于此截面流向涡上方,一束位于流向涡下方,但方形喷孔位于流向涡上方的射流流线明显多于长方形喷孔,这说明方形喷孔的穿透深度明显大于长方形喷孔。菱形喷孔与圆形喷孔的流线较为集中,圆形喷孔射流流线集中于X=15 mm、X=25 mm截面流向涡核心区上方,而菱形喷孔主要集中于两截面流向涡核心区位置,从而说明了圆形喷孔的穿透深度大于菱形喷孔。分析X=5 mm、X=15 mm以及X=25 mm截面的流向涡可以发现,所有形状喷孔算例由于构型相似,流向涡的涡核高度强度差别很小,但只有菱形孔射流流线集中于涡核核心区位置,这样会使流向涡充分作用于射流,从而使菱形喷孔的展向扩展能力以及掺混效率得到明显提高。

图6为不同喷孔形状构型最大乙烯组分浓度αmax衰减曲线[15]、掺混效率ηm[16]、可燃混合区面积Af(Ai为喷孔面积)、羽流质量中心高度hZ以及总压损失曲线以定量分析各构型的混合和穿透效果。观察最大乙烯组分浓度αmax衰减曲线,发现菱形喷孔乙烯组分衰减速度最快,其他几种构型衰减速率差别不大,说明菱形喷孔构型燃料掺混速率明显优于其他构型。对比掺混效率ηm以及可燃混合区面积Af可以发现,两种曲线差异一致,菱形喷孔掺混特性最好,圆形喷孔掺混特性最差,其他3种构型掺混特性相似,这与定性分析得出结论一致。在羽流质量中心高度方面,菱形喷孔并非最理想,这是因为菱形喷孔流线主要集中在流向涡涡核核心区域,在展向扩展以及燃料掺混方面优势更大,穿透深度方面并不理想。喷孔上沿具有大钝角的方形、圆形以及长方形构型在穿透深度方面更具有优势。由于菱形孔上下沿均十分锐利,使弓形激波b以及激波d强度均为最小,因此菱形孔的总压损失最小,但优势并不明显。三角喷孔由于下沿钝角过大,导致激波d强度过大,总压损失也最高。综上所述,菱形孔在燃料掺混、展向扩展以及总压损失方面优势明显,尽管穿透深度并不理想,但仍可认为菱形孔较其他喷孔形状具有更好的流场特性。

3 结论

文中利用数值模拟的方法对喷射方式对流场流动特性的影响展开研究,分为喷射角度、喷孔形状两个部分,结合燃料掺混效率、穿透深度以及总压损失等参数对比,探究悬臂斜坡喷注器不同喷射方式对超燃燃烧室流场特性的影响,得出以下结论:

1)喷射角度的增大可增加射流的穿透深度,但会带来掺混效率的下降,同时造成更高的总压损失。此外,过高的喷射角度会造成射流在流场进场的穿透深度的降低;过低的喷射角度也会造成算例的掺混效率的下降。经综合比较,喷射角度为γ=5°算例较其他3种喷射角度更为理想。

2)菱形孔在燃料掺混、展向扩展以及总压损失方面优势明显,尽管穿透深度并不理想,但综合比较5种形状喷孔,仍可认为菱形孔具有更好的流场特性。

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