带并联凹腔的超燃燃烧室数值研究*

高 峰,王旭东,王宏宇,黄桂彬

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

带并联凹腔的超燃燃烧室数值研究*

高 峰,王旭东,王宏宇,黄桂彬

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

采用离散相模型对带并联凹腔结构的煤油超燃燃烧室进行数值模拟,分析了正对并联凹腔和交错并联凹腔对支板直接喷入煤油的燃烧室燃烧性能的影响。结果表明,并联凹腔会使煤油进一步向展向扩展,混合效率得到明显提高;正对并联凹腔能极大提升煤油的穿透深度,拓宽煤油的亚声速燃烧范围,而对燃烧条件下总压损失系数影响不大;交错并联布置的凹腔可进一步增加煤油的混合效果,热力喉道的位置后移,亚声速燃烧范围扩大,燃烧效率提高。

超燃燃烧室;并联凹腔;燃烧性能;数值模拟

0 引言

超燃冲压发动机在军事和航空航天领域中的重要性日益突出,受到世界范围的广泛关注。超声速燃烧室的设计是超燃冲压发动机设计的关键课题之一。当前,超燃燃烧室性能提升主要面临两个挑战:一是由于超声速气流在燃烧室内停留时间仅为2 ms左右,而燃料本身存在点火延迟时间,燃料与空气的混合过程必须在极短的时间内完成;二是可压缩效应随马赫数增大而加剧,明显抑制混合层在纵向的扩展,很难在发动机内实现火焰稳定和高效的组织燃烧[1]。大量研究表明,燃烧室凹腔结构能够利用涡流促进湍流混合,以实现燃料迅速掺混,同时增强并稳定燃烧[2-3]。

尽管国内外的研究者对多凹腔构型在不同来流条件下的流场进行了诸多研究,但并未对其增强混合、稳定燃烧的机制进行定量化、理论化的对比说明[4-6],涉及使用煤油作为燃料的超声速混合燃烧问题的数值研究还很少,还鲜见针对支板直接喷注煤油燃料条件下,凹腔不同并联方式对燃烧室燃烧特性影响的数值研究。

液态煤油在燃烧室中伴随着雾化蒸发过程,因此与空气充分混合的难度大大提高。支板-凹腔组合结构能够同时发挥支板和凹腔对燃料混合燃烧的促进作用[7],所以文中以在研的以煤油为燃料的带有支板-凹腔组合结构的超燃燃烧室为研究对象,主要研究凹腔并联布置方式对燃烧室燃烧特性的影响。

1 计算模型与数值方法描述

1.1 计算模型

研究模型为文献[8]中的直连式试验台超燃燃烧室模型,在支板侧壁分别设置两排喷口,由支板直接喷注煤油燃料,下游支板尾部与凹腔前沿平齐[9],燃烧室扩张段设置在凹腔下游。图1为超燃燃烧室几何尺寸。

单凹腔、串联凹腔与并联凹腔对火焰稳定的研究已经做了大量研究,但往往是针对凹腔上游喷射气体燃料展开的[10]。为研究正对并联凹腔和错位并联凹腔对燃烧室燃烧特性产生的影响,文中保持原模型的基准构型凹腔(Basic)不变,在下壁面分别设置长深比为12和6的正对并联布置(0)和交错并联布置(I)凹腔算例,如表1所示。

图1 超燃燃烧室几何尺寸

表1 并联方式的定义与算例图示

1.2 数值方法

燃烧室模型为对称结构,取模型的一半进行网格划分,将其分为若干个子块,分别划分为结构化网格,对凹腔前后沿做加密处理。以图2所示基准构型为例,网格的第一层距离壁面为0.025 mm,网格总数约为300万。

图2 下游支板凹腔组合结构局部网格

燃烧室入口采用质量流率边界条件,在来流Ma=2的条件下给定入口初始条件如表2,燃烧室对称面设置为对称边界条件,出口为超声速出口,壁面为绝热无滑移边界条件。燃烧室煤油的入口条件根据煤油的物性参数、喷口几何尺寸和当量比确定。采用SSTk-ω模型封闭方程组,求解三维可压缩雷诺平均N-S方程。在拉格朗日坐标系下模拟煤油的流动,假设煤油为0.4 mm的均匀液滴,采用Wave模型模拟其雾化蒸发过程,煤油与主流空气参数进行耦合计算。

表2 燃烧室入口初始条件

1.3 算例验证

为验证计算方法对燃烧流场预测的有效性,以基准构型为基础,取燃烧室下游支板煤油当量比为0.5作为计算条件,来流条件为初始值,选取了绝热壁面和恒温壁面作为计算的壁面边界条件,恒温壁面温度取为1 000 K。图3给出了燃烧室侧壁面燃烧工况试验数据和仿真压强曲线[11]。由图3可知,采用恒温壁面作为边界条件的计算值与实验值吻合较好,而以绝热壁面作为边界条件的误差较大,在250～1 250 mm范围内远远高出实验值。分别选取壁面温度为300 K、500 K、1 500 K作为计算条件,发现计算得到的壁面压强曲线十分接近,壁面温度对煤油燃烧的影响不大。所以,文中后续计算中均采用恒温壁面(T=1 000 K)作为边界条件。

图3 燃烧室侧壁面燃烧工况试验数据和仿真压强曲线

2 计算结果及分析

2.1 并联凹腔对煤油分布的影响

图4给出了凹腔正对并联布置与交错并联布置x=1.5 m截面(位于凹腔之后)煤油质量分数等值线图,反映了凹腔后煤油的分布情况。由图4可知,基准构型只有一个凹腔,在凹腔作用下,煤油略向燃烧室展向扩展,煤油集中在燃烧室的中心位置,穿透深度较低。与单凹腔相比,凹腔正对并联布置与交错并联布置使煤油燃料的穿透深度提升,拓宽了与氧气参加反应的煤油当量比范围。凹腔正对并联布置时,下壁面的凹腔发挥了主要作用,使靠近下壁面的燃料组分向展向充分扩散,将煤油组分向燃烧室上壁面抬升,煤油向燃烧室上方聚集,且长深比为6时抬升效果更加明显,这可能是由于布置在下壁面的凹腔改变了流体流向,使煤油组分向上壁面输运。凹腔交错并联布置时,上下壁面的凹腔均发挥了关键作用,使煤油组分在燃烧室上下壁面同时向展向扩散,煤油分布相对比较均匀。

图4 并联凹腔燃烧室煤油组分等值线图(x=1.5 m)

图5为凹腔正对并联布置和交错并联布置燃烧室冷流马赫数云图。由图5可知,凹腔正对并联布置与交错并联布置的流场较为复杂,激波较多,会引起较大的总压损失。由计算得,双凹腔各算例之间总压损失相差不大,与单凹腔相比却增大了约25%。凹腔正对并联布置时,靠近燃烧室上壁面Ma较大,由于随流作用会使煤油组分向上游输运。凹腔交错并联布置时,燃烧室中心Ma较大,燃烧室上壁面后沿产生的斜激波直接作用于下游凹腔产生的剪切层,使剪切层发生弯曲变形,一定程度上对混合产生了促进作用。

图6为各算例在冷流条件下混合效率曲线。由图6可知,采用凹腔正对并联布置方式和交错并联布置方式都可以明显地提高煤油的混合效率,这是因为无论采用何种并联方式,均会在流向涡作用下使煤油进一步向展向扩展,增大了煤油与空气的接触面积,同时增加了燃烧室内的湍流强度。在x=1.5 m前,凹腔正对并联布置的混合效果要优于交错并联布置的凹腔,LD_6_0的混合效率略高;而x=1.5 m后,凹腔交错并联时的混合效率超过了正对并联,LD_6_I的混合效率略高。由此可以推断,正对并联凹腔增加了近场燃料的混合而交错并联凹腔增加了远场燃料的混合,并且长深比为6时(高度增加)混合效果更好。

图5 并联凹腔燃烧室冷流马赫数云图

图6 混合效率曲线

2.2 带并联凹腔的燃烧室的燃烧特性分析

图7为对称截面、y=0.03 m和y=0.08 m截面处Ma云图。云图面积表示的是Ma≥1,即超声速的范围,反映了各算例热力喉道的位置。由图7可知,凹腔正对并联布置的热力喉道出现在凹腔之后,长深比变化对热力喉道的位置几乎没有影响,而LD_12_0的Ma分布比较均匀,LD_12_0的高马赫数范围出现在燃烧室下壁面,说明长深比对燃烧马赫数分布产生一定的影响,两并联凹腔之间为亚声速燃烧区。凹腔交错并联使热力喉道位置后移,大约移动到下壁面凹腔后沿位置,大大拓宽了亚声速区域,使亚声速燃烧范围增加,也可使煤油的驻留时间更长,燃烧更加充分。但凹腔交错并联布置使速度分布变得不均匀,LD_12_I和LD_6_I的高马赫数区均出现在燃烧室的下壁面附近。

图7 并联凹腔燃烧室热流场马赫数云图

图8为各算例的Ma加权平均曲线,也反映了燃烧室中的Ma变化情况,曲线反映的结果与图7反映的是一致的。与基准构型相比,凹腔正对并联布置和交错并联均能拓宽煤油的亚声速燃烧范围,且交错并联可进一步使热力喉道的位置后移,亚声速燃烧范围更广。

图8 并联凹腔燃烧室热流场马赫数曲线图

表3为冷流条件和燃烧条件下各算例总压恢复系数。燃烧条件下的总压恢复系数较小，说明燃烧产生一定的燃烧阻力。冷流条件下，并联凹腔结构燃烧室总压恢复系数均小于单凹腔结构的燃烧室，这是因为增加一个凹腔会带来一定的阻力。而燃烧条件下，与单凹腔结构的燃烧室相比，并联凹腔结构的 燃烧室总压恢复系数变化不大。

表3 各算例总压恢复系数

图9为各算例比冲量曲线。与单凹腔相比,并联凹腔比冲量也明显提高。x=1.6～1.7 m范围内,正对并联凹腔的比冲量明显较高,说明燃烧更为充分,且LD_6_0比LD_12_0的燃烧更为充分。x=1.7～1.8 m范围内,凹腔交错并联布置方式比冲量较高,说明在下壁凹腔的附近,燃烧又变得充分,同样LD_6_I比LD_12_I的燃烧更为充分。再次证明,小长深比(深度大)的凹腔在促进混合燃烧方面更具优势。

图9 比冲量曲线

表4给出了算得燃烧室出口燃烧效率、马赫数、推力的数值和并联凹腔相对于单凹腔推力增加的百分比。相比单凹腔而言,并联凹腔燃烧室出口燃烧效率、比冲量和推力均有明显的提升。凹腔交错并联的布置方式比并联布置方式的推力增加的幅度较大,长深比为12和6时分别增加了12.5%和18.75%,而凹腔正对并联分别增加6.3%和3.6%。由此可见,带有交错并联凹腔的燃烧室能够产生更高的推力,且交错并联长深比为6的凹腔比长深比为12的凹腔能够产生更高的推力,而凹腔正对并联布置时长深比为12时更占优势。

表4 各算例出口截面燃烧效率推力及比冲量和相对单凹腔推力增加

3 结论

1)与单凹腔相比,并联凹腔使煤油燃料的穿透深度大大提升,拓宽了与氧气参加反应的煤油当量比范围,使煤油更容易发生燃烧。凹腔正对并联布置时,下壁面的凹腔发挥了主要作用,使靠近下壁面的燃料组分向展向充分扩散。而凹腔交错并联布置时,上下壁面的凹腔均发挥了关键作用,使煤油组分在燃烧室上下壁面同时向展向扩散。

2)凹腔的交错并联可进一步增加燃烧室内燃料的混合效果,使燃烧室内的燃料沿流道可以进一步分散,并且长深比为6时(高度增加)混合效果更好。

3)冷流条件下,并联凹腔结构燃烧室总压恢复系数小于单凹腔结构的燃烧室;燃烧条件下,带有并联凹腔结构的燃烧室总压恢复系数略大于单凹腔结构的燃烧室,凹腔交错并联的燃烧室能够产生更高的推力和比冲量。正对并联凹腔可以拓宽与氧气参加反应的煤油当量比范围,增大煤油的亚声速燃烧范围,而凹腔交错并联时使热力喉道的位置进一步后移,亚声速燃烧范围进一步扩大,从而增大了煤油的燃烧效率。

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NumericalStudyonSupersonicCombustorusingParallelCavity

GAO Feng,WANG Xudong,WANG Hongyu,HUANG Guibin

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

Numerical simulation with discrete phase model was made on supersonic combustor with a parallel cavity structure.The effect of the cavity paralleled in different ways on kerosene mixture characteristics was analyzed.The results show that the mixture efficiency of kerosene increasing obviously with parallel cavity.The ordinary parallel cavity extends equivalent ratio range,enlarging the scope of subsonic combustion.Compared with ordinary parallel cavity,the cavity dislocated in parallel contributes to the mixture of fuel and air with higher mixture efficiency,putting the thermal throat backward the combustor,further enlarging subsonic combustion zone,increasing combustion efficiency.

scramjet combustor; parallel cavity; combustion characteristics; numerical simulation

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.025

2016-07-11

高峰(1965-),男,安徽凤阳人,教授,硕士生导师,研究方向:火箭发动机推进理论。

V231.3

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