超聲速氣流中火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

超聲速氣流中火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究本文以超燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)、混合與燃燒為研究背景,結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值仿真與理論分析對(duì)超燃?jí)喊l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)出現(xiàn)的逆流火焰加速現(xiàn)象進(jìn)行了較為系統(tǒng)與深入的研究。首先,本文以理論建模、數(shù)值仿真為主要手段研究了帶格柵管道中的火焰加速現(xiàn)象,與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了理論模型的有效性。文中采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究了不同當(dāng)量比條件下火焰加速過(guò)程,仿真結(jié)果表明在恰當(dāng)當(dāng)量比條件下,數(shù)值計(jì)算得到的火焰加速率與理論符合的最好,在當(dāng)量比小于恰當(dāng)當(dāng)量比條件時(shí),數(shù)值計(jì)算火焰加速率與理論值存在著較大的差異。本文進(jìn)一步考慮了格柵構(gòu)型對(duì)火焰加速的影響,當(dāng)格柵厚度小于格柵間距時(shí),格柵增強(qiáng)湍流作用比射流有效體積減小更占據(jù)主導(dǎo),使得火焰加速率相比無(wú)限薄構(gòu)型更大。而隨著格柵厚度繼續(xù)增加,格柵體積之間減小的作用重新占據(jù)主導(dǎo),火焰加速率迅速下降。其次,為了分析產(chǎn)生火焰過(guò)程之前燃料混合狀態(tài),本文通過(guò)數(shù)值仿真揭示了不同噴注位置與不同來(lái)流條件下凹腔上游橫向噴注流動(dòng)混合特性。從結(jié)果可以看出,在相同湍流邊界層的作用下,與近凹腔兩路噴注、遠(yuǎn)近凹腔兩路噴注對(duì)比,兩路遠(yuǎn)凹腔噴注的混合效率最高。在凹腔前緣之前,當(dāng)入口同樣為湍流邊界層時(shí),增加入口湍流邊界層厚度時(shí),湍流的作用更為明顯,混合效率提高。接著本文在等截面超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi),利用高速攝影、高速紋影及高頻壓力傳感器等觀測(cè)手段對(duì)不同噴注位置的燃燒現(xiàn)象進(jìn)行了研究。在遠(yuǎn)凹腔噴注位置的實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了周期性火焰逆?zhèn)鳜F(xiàn)象,研究結(jié)果表明火焰前鋒振蕩主頻約為95Hz,火焰鋒面振蕩主頻與壓力振蕩主頻非常接近的,這說(shuō)明以火焰逆?zhèn)髋c吹脫過(guò)程為特征的火焰周期性振蕩主導(dǎo)了燃燒室內(nèi)的壓力振蕩。進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值仿真揭示了不同化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)超聲速火焰逆?zhèn)鞯挠绊?研究結(jié)果表明產(chǎn)生火焰振蕩的條件與化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是相關(guān)的,更強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理得到的燃燒振蕩頻率要大于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的振蕩主頻。以來(lái)流邊界層為影響因素的數(shù)值仿真結(jié)果表明,入口邊界層為層流時(shí),燃燒室內(nèi)表現(xiàn)為由凹腔穩(wěn)定的火焰,當(dāng)采用湍流入口邊界層條件時(shí),凹腔下游火焰實(shí)現(xiàn)了增長(zhǎng)并逆流傳播。在采用相同湍流入口邊界層條件時(shí),增加湍流邊界層厚度能夠使得火焰更早的發(fā)生逆?zhèn)?。以?lái)流總溫為影響因素的數(shù)值仿真結(jié)果表明,當(dāng)采用低總溫入口時(shí)火焰無(wú)法產(chǎn)生逆?zhèn)鳜F(xiàn)象。當(dāng)在高總溫來(lái)流條件下,在凹腔下游能量積聚產(chǎn)生逆?zhèn)骰鹧娴某跏歼^(guò)程中,來(lái)流溫度的影響占據(jù)更主導(dǎo)的地位,提高總溫能使凹腔下游火焰更早地產(chǎn)生逆?zhèn)?。在等截面雙凹腔燃燒室內(nèi),在遠(yuǎn)凹腔噴注實(shí)驗(yàn)中同樣觀察到了準(zhǔn)周期性火焰逆?zhèn)鳜F(xiàn)象。研究結(jié)果表明壓力振蕩主頻并不明顯,但仍可以認(rèn)為是以火焰逆?zhèn)髋c吹脫過(guò)程為特征的火焰周期性振蕩主導(dǎo)了燃燒室內(nèi)的壓力振蕩。進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值仿真研究了等截面雙凹腔燃燒室遠(yuǎn)距離噴注的火焰逆?zhèn)鳜F(xiàn)象,雙凹腔的火焰逆?zhèn)髋c單凹腔情況下略有不同,數(shù)值仿真結(jié)果表明雙凹腔條件下的火焰在凹腔上游觀測(cè)到非對(duì)稱性傳播過(guò)程。最后,本文分析了火焰逆?zhèn)鬟^(guò)程中燃燒模式變化。計(jì)算結(jié)果表明在凹腔下游火焰不斷積累增強(qiáng)的時(shí)刻,凹腔及下游的火焰保持為富燃預(yù)混燃燒模式,隨著火焰逆向傳播,火焰前鋒仍保持著富燃燒預(yù)混燃燒模式,而緊隨其后靠近流道中間剪切層的燃燒則迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散燃燒模式。針對(duì)火焰逆?zhèn)髦械牟糠诸A(yù)混燃燒現(xiàn)象,本文改進(jìn)了超聲速部分預(yù)混燃燒G/Z方程模型并進(jìn)行了驗(yàn)證