超聲速流條件下凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)穩(wěn)壘機(jī)制研究

超聲速流條件下凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)穩(wěn)壘機(jī)制研究

1凹腔火焰穩(wěn)定器的建立與穩(wěn)火焰機(jī)制的關(guān)系高超速壓裂發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)高超速飛行最理想的推進(jìn)動(dòng)力。在高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的超聲速燃燒室中,氣流在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間非常短(ms級(jí)),要在這樣短的時(shí)間完成燃料與氣流的混合、燃燒反應(yīng),增加了燃料噴射、點(diǎn)火與火焰穩(wěn)定的困難。為了實(shí)現(xiàn)超聲速氣流中的燃燒,通常需要采取一定的火焰穩(wěn)定措施。利用主動(dòng)或被動(dòng)的方式在流場(chǎng)中形成環(huán)流和低速流區(qū)是高速氣流中普遍應(yīng)用的穩(wěn)定火焰措施。其中,通過(guò)形成低速回流區(qū)實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定的凹腔火焰穩(wěn)定器,以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和效果明顯受到了普遍關(guān)注。俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)中央研究院(CIAM)在對(duì)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行馬赫數(shù)為6,總溫為1500K的自由射流實(shí)驗(yàn)中,首次成功地把凹腔火焰穩(wěn)定器作為穩(wěn)焰手段;并應(yīng)用在雙模態(tài)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)當(dāng)中。雖然針對(duì)凹腔火焰穩(wěn)定器的試驗(yàn)與數(shù)值研究已取得了很大進(jìn)展,但針對(duì)凹腔火焰穩(wěn)定器如何利用回流區(qū)在超聲速流中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)焰的理論研究則較少。關(guān)于超聲速流中利用回流區(qū)穩(wěn)定火焰的機(jī)制,目前尚未有統(tǒng)一完整的理論。張松壽的書(shū)中給出了兩種關(guān)于回流區(qū)穩(wěn)焰機(jī)制的觀點(diǎn)。一種稱為回流區(qū)燃燒機(jī)制的觀點(diǎn)認(rèn)為由于回流區(qū)具有強(qiáng)烈的混合作用,可將其看作一個(gè)反應(yīng)器,回流區(qū)內(nèi)進(jìn)行著較強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng),燃燒后的高溫燃燒產(chǎn)物所攜帶的熱量和化學(xué)活性物質(zhì)通過(guò)對(duì)流與擴(kuò)散傳輸給新鮮混氣,使之預(yù)熱并著火燃燒。另一種稱為回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制的觀點(diǎn)認(rèn)為,回流區(qū)內(nèi)沒(méi)有強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),其中僅充滿著幾乎完全燃燒的高溫燃燒產(chǎn)物,這些高溫燃燒產(chǎn)物將通過(guò)湍流擴(kuò)散作用將熱量傳入新鮮混氣,這樣高溫回流區(qū)便起到一個(gè)連續(xù)點(diǎn)火源的作用,它加熱并點(diǎn)燃了回流區(qū)附近流過(guò)的新鮮混氣。實(shí)驗(yàn)研究表明,兩種回流區(qū)穩(wěn)焰機(jī)制都有可能在凹腔火焰穩(wěn)定器的回流區(qū)中存在。Ben-Yakar在Ma=3.4的來(lái)流條件下,以氫氣為燃料研究了凹腔火焰穩(wěn)定器的穩(wěn)焰情況,發(fā)現(xiàn)凹腔回流區(qū)內(nèi)始終存在燃燒現(xiàn)象,表明起主導(dǎo)作用的穩(wěn)焰機(jī)制是回流區(qū)燃燒機(jī)制;而Jeong等在Ma=3.79的來(lái)流條件下,采用同樣的凹腔火焰穩(wěn)定器構(gòu)型與氫氣噴注方式,卻發(fā)現(xiàn)燃燒主要在凹腔剪切層內(nèi)進(jìn)行,凹腔回流區(qū)內(nèi)幾乎看不到燃燒,表明起主導(dǎo)作用的穩(wěn)焰機(jī)制是回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制。孫明波等認(rèn)為在低總焓來(lái)流的凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中可能存在兩種主要穩(wěn)焰機(jī)制:一種是回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制;另一種是三層火焰(Tripleflame)穩(wěn)焰機(jī)制,認(rèn)為凹腔內(nèi)部的低速高溫回流區(qū)使得在凹腔剪切層以及凹腔內(nèi)部形成穩(wěn)定的部分預(yù)混火焰前鋒,火焰前鋒下游的擴(kuò)散火焰穿過(guò)凹腔剪切層向主流擴(kuò)展,最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)焰。本研究中借助凹腔火焰穩(wěn)定器模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,對(duì)高總焓來(lái)流條件下凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中存在的穩(wěn)焰機(jī)制進(jìn)行了研究。2研究方法本研究中,選擇了兩種類型的火焰穩(wěn)定器進(jìn)行了對(duì)比研究。凹腔火焰穩(wěn)定器:計(jì)算域長(zhǎng)250mm,高68mm,上壁面為平直表面,下壁面為凹腔結(jié)構(gòu)。凹腔長(zhǎng)110mm,深11mm。詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1(a)。計(jì)算域中設(shè)置了一個(gè)煤油(C12H23)加注點(diǎn),加注點(diǎn)流量為0.12kg/s,加注點(diǎn)在凹腔正上方,距下壁面2mm。凹腔凸臺(tái)火焰穩(wěn)定器計(jì)算域長(zhǎng)250mm,高68mm,上壁面為凸臺(tái)結(jié)構(gòu),下壁面為凹腔結(jié)構(gòu)。凹腔長(zhǎng)110mm,深11mm。凸臺(tái)長(zhǎng)30mm,高5mm,凸臺(tái)后端與凹腔前端的水平距離為15mm。詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1(b)。計(jì)算域中設(shè)置一個(gè)煤油(C12H23)加注點(diǎn),加注點(diǎn)流量為0.12kg/s,加注點(diǎn)位于凹腔前方水平距離25mm處,加注點(diǎn)距下壁面32mm。計(jì)算采用Fluent軟件的二維數(shù)值計(jì)算方法,模擬了液態(tài)煤油燃料注入超聲速流場(chǎng)的整個(gè)過(guò)程。液態(tài)煤油的霧化及氣化過(guò)程,采用的是彌散相模型模擬。將主流氣體視為連續(xù)相,而將散布其中的液滴視為彌散相。連續(xù)相采用求解NS方程的方法計(jì)算,湍流模式選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模式,彌散相的計(jì)算則采用拉格朗日觀點(diǎn)針對(duì)每個(gè)粒子進(jìn)行?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程采用NS方程組結(jié)合多組分輸運(yùn)方程和一級(jí)有限速率化學(xué)反應(yīng)模型模擬。3穩(wěn)火焰機(jī)制本研究的計(jì)算結(jié)果表明,高總焓來(lái)流條件下凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中至少存在著三種穩(wěn)焰機(jī)制:回流區(qū)燃燒機(jī)制、回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制、和回流區(qū)整流機(jī)制(一種通過(guò)調(diào)整主流流場(chǎng),建立適合燃燒的流場(chǎng)條件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的穩(wěn)焰機(jī)制),且三種穩(wěn)焰機(jī)制均有可能成為凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中的主導(dǎo)穩(wěn)焰機(jī)制。3.1凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)具有強(qiáng)烈的混合作用,可將其看作一個(gè)均勻反應(yīng)器,回流區(qū)內(nèi)進(jìn)行著較強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng),燃燒后的高溫燃燒產(chǎn)物所攜帶的熱量和化學(xué)活性物質(zhì)通過(guò)對(duì)流與擴(kuò)散傳輸給新鮮混氣,使之預(yù)熱并著火燃燒。圖2給出了該機(jī)制占主導(dǎo)地位時(shí)形成的燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu),這是利用凹腔內(nèi)部回流區(qū)的混合特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)焰。圖2算例中采用的是圖1(a)的凹腔火焰穩(wěn)定器。計(jì)算域左右兩側(cè)邊界分別取超聲速入口及超聲速外插出口邊界,上下邊界取無(wú)滑移絕熱壁面條件。入口氣流參數(shù)為:馬赫數(shù)2、總溫1650K、總壓1.25MPa。圖2中給出的是注入煤油0.5ms后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)云圖。圖2(a)的組分云圖表明燃料進(jìn)入了凹腔回流區(qū)內(nèi)部;圖2(b)的反應(yīng)率和圖2(c)的靜溫云圖則表明,凹腔內(nèi)部出現(xiàn)了比較強(qiáng)烈的燃燒現(xiàn)象,靜溫得到明顯提升。這些現(xiàn)象表明回流區(qū)燃燒機(jī)制為該燃燒流場(chǎng)的主導(dǎo)穩(wěn)焰機(jī)制。在本研究的計(jì)算中,圖2的流場(chǎng)僅在煤油注入的早期階段出現(xiàn),在該階段燃料與空氣的混氣能夠進(jìn)入凹腔回流區(qū)內(nèi)部,回流區(qū)燃燒機(jī)制可以發(fā)揮作用。但隨著燃燒釋熱的增加,回流區(qū)開(kāi)始增大,燃料與空氣的混氣逐漸遠(yuǎn)離凹腔。進(jìn)入回流區(qū)的燃料變少,使回流區(qū)的混合能力難以發(fā)揮,最終流場(chǎng)的穩(wěn)焰機(jī)制過(guò)渡為回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制,見(jiàn)圖3。因此,利用回流區(qū)燃燒機(jī)制穩(wěn)焰的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題便是如何使新鮮混氣進(jìn)入凹腔回流區(qū)。3.2凹腔內(nèi)部的穩(wěn)火焰機(jī)制回流區(qū)依靠剪切層與主流區(qū)之間交換物質(zhì)與能量。在超聲速流動(dòng)中,隨著對(duì)流馬赫數(shù)的增加,壓縮效應(yīng)逐漸增強(qiáng),剪切層的混合效果會(huì)不斷減弱。當(dāng)凹腔上游的來(lái)流是比較穩(wěn)定的超聲速流時(shí),剪切層的混合效果將會(huì)大大削弱,凹腔內(nèi)外的物質(zhì)與能量交換只能依靠層流或者湍流擴(kuò)散完成,這將使凹腔內(nèi)部沒(méi)有足夠的新鮮混氣進(jìn)行強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)由擴(kuò)散作用傳進(jìn)來(lái)的新鮮混氣通過(guò)緩慢化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量又很難傳遞出去,最終導(dǎo)致整個(gè)回流區(qū)成為一個(gè)高溫的固定火源。由于是依靠擴(kuò)散作用,回流區(qū)與主流區(qū)的物質(zhì)與能量交換會(huì)隨著主流馬赫數(shù)的增加(壓縮效應(yīng)逐漸增強(qiáng))不斷變?nèi)?該機(jī)制的穩(wěn)焰能力隨主流馬赫數(shù)的增加而變?nèi)酢D3給出了該機(jī)制占主導(dǎo)地位時(shí)形成的燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu),這是利用凹腔內(nèi)部回流區(qū)的高溫特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)焰。圖3算例中采用的計(jì)算條件與圖2一致,圖2給出的是燃燒形成初期的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)云圖,而圖3中給出的是燃燒穩(wěn)定后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)云圖。圖3(a)的組分云圖則表明燃料向遠(yuǎn)離凹腔的方向運(yùn)動(dòng),凹腔回流區(qū)內(nèi)部缺乏新鮮燃料混氣;圖3(b)的反應(yīng)率和圖3(c)的靜溫云圖表明,化學(xué)反應(yīng)集中在剪切層區(qū)域,凹腔內(nèi)部基本沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。這些現(xiàn)象表明回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制為該燃燒流場(chǎng)的主導(dǎo)穩(wěn)焰機(jī)制。3.3凹腔火焰穩(wěn)定器模擬當(dāng)流場(chǎng)中出現(xiàn)回流區(qū)時(shí),由于回流區(qū)的阻流作用,主流的有效流通面積便會(huì)變小。由于超聲速流動(dòng)的性質(zhì),流通面積變小,馬赫數(shù)會(huì)下降,靜溫會(huì)上升,在超聲速流場(chǎng)中,這一過(guò)程中往往還會(huì)伴隨著激波的產(chǎn)生,而激波會(huì)使靜溫進(jìn)一步上升。于是,通過(guò)改變回流區(qū)的大小,便可以達(dá)到使新鮮混氣靜溫上升,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火燃燒的目的,這便是回流區(qū)整流機(jī)制。與前面兩種穩(wěn)焰機(jī)制不同,該種機(jī)制不是依靠混合擴(kuò)散點(diǎn)燃預(yù)混氣體,受壓縮效應(yīng)的影響較小,更適合于超聲速流中組織燃燒。當(dāng)主流的流動(dòng)參數(shù)滿足合適要求時(shí),噴入主流的燃料便可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。在該機(jī)制中,燃料不進(jìn)入回流區(qū),回流區(qū)起的作用是調(diào)整主流流場(chǎng),建立適合燃燒的流場(chǎng)條件,進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定燃燒的目的。圖4給出了該機(jī)制占主導(dǎo)地位時(shí)形成的燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。圖4算例中采用的是圖1(b)的凹腔凸臺(tái)火焰穩(wěn)定器。計(jì)算域左右兩側(cè)邊界分別取超聲速入口及超聲速外插出口邊界,上下邊界取無(wú)滑移絕熱壁面條件。入口氣流參數(shù)為:馬赫數(shù)2.5,總溫1650K,總壓1.25MPa。圖4為當(dāng)前凹腔凸臺(tái)火焰穩(wěn)定器中煤油加注及燃燒過(guò)程的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明由位于中心的煤油加注點(diǎn)噴入主流的燃料在沒(méi)有與回流區(qū)接觸的情況下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒。圖4(a)的馬赫數(shù)云圖及圖4(b)的靜溫云圖給出了注入燃料前的初始流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。圖中顯示除了在凸臺(tái)及凹腔角落處形成的回流區(qū),在凹腔出口位置的上壁面,還出現(xiàn)了一個(gè)由于激波-邊界層干擾導(dǎo)致邊界層分離形成的回流區(qū)。該分離區(qū)使得流道流通面積變窄,流道的馬赫數(shù)下降。同時(shí)在凹腔后端,分離區(qū)誘發(fā)的激波以及凹腔與凸臺(tái)誘發(fā)的多道激波交匯,交匯點(diǎn)處形成了局部正激波,激波后的高溫高壓環(huán)境成為一個(gè)很好的點(diǎn)火源。圖4(c)與圖4(d)為注入燃料0.1ms后的流場(chǎng)云圖。圖4(c)表明在燃料到達(dá)凹腔后端的激波交匯點(diǎn)后,燃料實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火燃燒。圖4(d)表明燃料沒(méi)有與回流區(qū)接觸。圖4(e)與圖4(f)為注入燃料0.15ms后的流場(chǎng)云圖。圖4(e)表明在該段時(shí)間內(nèi)燃燒區(qū)面積開(kāi)始變大,位置穩(wěn)定在激波交匯點(diǎn)附近沒(méi)有發(fā)生很大變化,正激波向上游移動(dòng)。圖4(f)表明燃料沒(méi)有與回流區(qū)接觸。圖4(g)與圖4(h)為注入燃料0.25ms后的流場(chǎng)云圖。圖4(g)表明燃燒區(qū)已經(jīng)開(kāi)始向上下游發(fā)展。這主要是由于燃燒產(chǎn)生的壓力影響開(kāi)始傳入回流區(qū)。由于回流區(qū)是一個(gè)馬赫數(shù)很低的流動(dòng)區(qū)域,因此傳入回流區(qū)中的壓力將會(huì)很快傳遍整個(gè)回流區(qū)。燃燒后產(chǎn)生的高壓能通過(guò)回流區(qū)迅速傳到燃燒區(qū)上游。由于回流區(qū)內(nèi)壓力高于主流壓力,于是回流區(qū)變大,主流流通面積變小。燃燒區(qū)上游的靜溫升高,馬赫數(shù)變小。于是燃燒后產(chǎn)生的影響能夠避開(kāi)來(lái)流超聲速的限制,通過(guò)回流區(qū)傳到燃燒區(qū)上游,使得上游的來(lái)流條件更適合燃燒,燃燒區(qū)得以向上游推進(jìn)。圖4(h)表明燃料沒(méi)有與回流區(qū)接觸。圖4(i)與圖4(j)為燃燒穩(wěn)定后的流場(chǎng)云圖。圖4(i)表明上壁面處由激波邊界層干擾產(chǎn)生的回流區(qū)已經(jīng)擴(kuò)展到了凸臺(tái)后部。借助于回流區(qū)對(duì)于主流流動(dòng)的調(diào)整,燃燒區(qū)得以在凹腔上游實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。圖4(j)則表明燃料始終沒(méi)有與回流區(qū)接觸。圖4表明燃料未接觸回流區(qū)便能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)焰燃燒,這是回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制和回流區(qū)燃燒機(jī)制無(wú)法解釋的。因而,回流區(qū)整流機(jī)制與之前提到的兩種穩(wěn)焰機(jī)制是完全不同的。4穩(wěn)理解機(jī)理:三種穩(wěn)火焰機(jī)制的比較本文的分析表明,高焓來(lái)流條件下回流區(qū)中至少存在著三種穩(wěn)焰機(jī)制:回流區(qū)燃燒機(jī)制、回流區(qū)點(diǎn)燃機(jī)制和回流區(qū)整流機(jī)制,且三種穩(wěn)焰機(jī)制均有可能成為凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中的主導(dǎo)穩(wěn)焰機(jī)制。三種穩(wěn)焰機(jī)制利用了高焓來(lái)流條件下回流區(qū)的不同特性:回