激波对壁面燃料射流掺混燃烧特性影响_刘林.pdf
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1、-51-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期航空航天高超声速领域作为高科技领域之一,其中以超声速燃烧冲压发动机(简称超燃冲压发动机)为核心的高超声速飞行器应运而生,由于其良好的经济性、结构简单性和高比冲,被认为是目前实现飞行器在大气层内高超声速飞行的最佳动力装置。图 1 所示为典型超燃冲压发动机结构示意图,该发动机在高超声速飞行条件下工作,自身不需要携带氧化剂,而是从周围大气中获得,利用机身前体和进气道特殊的几何形状对进入燃烧室的空气进行压缩,从而使发动机获得比使用压气机压缩时更高的速度,经进气道
2、压缩后的超声速气流在燃烧室内与燃料混合、燃烧,燃烧后的气体仍保持为超声速,通过尾喷管膨胀后加速喷出,从而产生推力。为此,国内外学者相继展开了广泛的研究。超声速燃烧是超声速流动的可燃混合气体的燃烧,本质上依然是一种扩散火焰,同样基于分子扩散的热传导机制。燃烧过程中燃烧室内产生十分复杂的内部流动现象,超燃冲压发动机中存在激波和膨胀波等,激波的存在会对壁面射流掺混燃烧产生较大影响,其作用机理需要展开研究。Hwanil 等进行了氢气超声速燃烧的实验,通过在侧壁上安装楔形块,进而产生斜激波,分析纹影图得到,斜激波改变了流场方向,增强了燃料和空气的混合。Nwdungadi等采用数值模拟方法研究了斜激波对燃
3、料混合的影响,结果表明,斜激波的产生改变了流场结构,增强了混合效果。Gerdroodbary 等利用数值模拟方法研究了激波入射角度对超声速燃料横向射流的影响,研究结果表明,激波大大促进了射流的掺混。当激波入射角度增大时,氢气和空气混合效率随之提高。刘朝阳运用高精度大涡模拟研究了超声速气流中壁面燃料射流的混合、点火和火焰稳定机制,研究结果表明湍流脉动能促进燃料与空气的掺混。Tahsini 等利用数值模拟方法研究了斜激波对超声速燃烧室内氢气横向喷注燃烧效率的影响,结果表明,通过改变行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度激波对壁面燃料射流掺混燃烧特性影响刘 林
4、郑 星刘 林1 郑 星21.中国飞行试验研究院 发动机所2.西安航空学院飞行器学院刘林(1995),硕士,助理工程师,研究方向:进气道与发动机相容性研究。基金项目:西安航空学院校级基金项目(2022KY1201)图 1 典型超燃冲压发动机结构示意图中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-52-航空航天楔形结构的角度进而改变激波强度,激波强度越大,燃烧效率越高。李幸泰利用数值模拟方法对超声速燃烧室内的碳氢燃料掺混燃烧过程进行了研究,研究结果表明激波作用在起火位置之前会使得火焰发生点提前,作用在起火位置
5、之后会增大火焰强度,通过改变激波发生装置的斜坡角度进而改变激波的强度,激波强度越大,发生燃烧时火焰强度越强。本文通过改变激波入射位置和激波发生装置个数展开激波对流场射流掺混燃烧特性的数值模拟研究,通过解决激波对壁面燃料射流掺混燃烧的问题,对超燃冲压发动机的设计和性能优化具有一定的参考价值。数值模拟方法RANS 平均方法在工程研究中得到了广泛应用,它主要是通过将湍流流动分解成平均流动和脉动流动,再引入湍流模型使方程组封闭。控制方程和湍流模型介绍对 N-S 方程进行 Favre 平均(即除了密度项和压力项p外,其余参量均采用密度加权平均的方式获得),忽略高阶无穷小量,可以得到平均量的控制方程:()
6、()0jjutx+=?(1)()()?()iijijijijijpuuuu ugtxxx+=+?(2)()()?()jiijijhjijJhu hu uStxxx+=+?(3)式中:上标“-”表示 Reynolds 平均量;“”表示Favre 平均量;“”表示 Favre 平均的脉动量;为流体密度;xi表示点的坐标;ui表示在时间t坐标xi点的流体运动速度分量;ij表示分子黏性应力张量的雷诺平均值;gi表示体积力;h表示流体的焓;Jj表示分子扩散引起的比焓通量向量;Sh表示因可压缩性、黏性耗散和辐射等引起的比焓源项。控制方程(1)(2)(3)分别为连续性方程、动量方程和能量方程,再结合理想气体
7、的状态方程构成封闭方程组,其中动量方程中的雷诺应力项ijuu?和能量方程中的湍流输运通量项iu h?需要通过湍流模型对其进行模化,使这些项封闭。SST k-模型在近璧区使用k-模型,在主流区使用k-模型,可以在更宽泛的 Reynolds 数计算中拥有更高的精度和可信度。采用 Marinov 建立的 9 基元-27 步反应模型作为氢气/空气反应机制模拟真实燃烧室化学反应过程,该反应机制已被证明适用于超声速燃烧流动模拟。数值模拟方法校验选取一个典型超声速流场支板喷射湍流燃烧实验验证数值方法的正确性。图 2 展示了超燃冲压发动机燃烧室模型的二维结构示意图。实际发动机中通过火焰架底部的一排 15个孔注
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