超聲速流條件下凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)穩(wěn)壘機制研究

超聲速流條件下凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)穩(wěn)壘機制研究

1凹腔火焰穩(wěn)定器的建立與穩(wěn)火焰機制的關系高超速壓裂發(fā)動機是實現(xiàn)高超速飛行最理想的推進動力。在高超聲速沖壓發(fā)動機的超聲速燃燒室中,氣流在燃燒室內的停留時間非常短(ms級),要在這樣短的時間完成燃料與氣流的混合、燃燒反應,增加了燃料噴射、點火與火焰穩(wěn)定的困難。為了實現(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。利用主動或被動的方式在流場中形成環(huán)流和低速流區(qū)是高速氣流中普遍應用的穩(wěn)定火焰措施。其中,通過形成低速回流區(qū)實現(xiàn)火焰穩(wěn)定的凹腔火焰穩(wěn)定器,以結構簡單和效果明顯受到了普遍關注。俄羅斯航空發(fā)動機中央研究院(CIAM)在對高超聲速沖壓發(fā)動機模型進行馬赫數(shù)為6,總溫為1500K的自由射流實驗中,首次成功地把凹腔火焰穩(wěn)定器作為穩(wěn)焰手段;并應用在雙模態(tài)高超聲速沖壓發(fā)動機的飛行試驗當中。雖然針對凹腔火焰穩(wěn)定器的試驗與數(shù)值研究已取得了很大進展,但針對凹腔火焰穩(wěn)定器如何利用回流區(qū)在超聲速流中實現(xiàn)穩(wěn)焰的理論研究則較少。關于超聲速流中利用回流區(qū)穩(wěn)定火焰的機制,目前尚未有統(tǒng)一完整的理論。張松壽的書中給出了兩種關于回流區(qū)穩(wěn)焰機制的觀點。一種稱為回流區(qū)燃燒機制的觀點認為由于回流區(qū)具有強烈的混合作用,可將其看作一個反應器,回流區(qū)內進行著較強烈的燃燒反應,燃燒后的高溫燃燒產物所攜帶的熱量和化學活性物質通過對流與擴散傳輸給新鮮混氣,使之預熱并著火燃燒。另一種稱為回流區(qū)點燃機制的觀點認為,回流區(qū)內沒有強烈的化學反應,其中僅充滿著幾乎完全燃燒的高溫燃燒產物,這些高溫燃燒產物將通過湍流擴散作用將熱量傳入新鮮混氣,這樣高溫回流區(qū)便起到一個連續(xù)點火源的作用,它加熱并點燃了回流區(qū)附近流過的新鮮混氣。實驗研究表明,兩種回流區(qū)穩(wěn)焰機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)內始終存在燃燒現(xiàn)象,表明起主導作用的穩(wěn)焰機制是回流區(qū)燃燒機制;而Jeong等在Ma=3.79的來流條件下,采用同樣的凹腔火焰穩(wěn)定器構型與氫氣噴注方式,卻發(fā)現(xiàn)燃燒主要在凹腔剪切層內進行,凹腔回流區(qū)內幾乎看不到燃燒,表明起主導作用的穩(wěn)焰機制是回流區(qū)點燃機制。孫明波等認為在低總焓來流的凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中可能存在兩種主要穩(wěn)焰機制:一種是回流區(qū)點燃機制;另一種是三層火焰(Tripleflame)穩(wěn)焰機制,認為凹腔內部的低速高溫回流區(qū)使得在凹腔剪切層以及凹腔內部形成穩(wěn)定的部分預混火焰前鋒,火焰前鋒下游的擴散火焰穿過凹腔剪切層向主流擴展,最終實現(xiàn)穩(wěn)焰。本研究中借助凹腔火焰穩(wěn)定器模型的數(shù)值計算結果,對高總焓來流條件下凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中存在的穩(wěn)焰機制進行了研究。2研究方法本研究中,選擇了兩種類型的火焰穩(wěn)定器進行了對比研究。凹腔火焰穩(wěn)定器:計算域長250mm,高68mm,上壁面為平直表面,下壁面為凹腔結構。凹腔長110mm,深11mm。詳細幾何結構參見圖1(a)。計算域中設置了一個煤油(C12H23)加注點,加注點流量為0.12kg/s,加注點在凹腔正上方,距下壁面2mm。凹腔凸臺火焰穩(wěn)定器計算域長250mm,高68mm,上壁面為凸臺結構,下壁面為凹腔結構。凹腔長110mm,深11mm。凸臺長30mm,高5mm,凸臺后端與凹腔前端的水平距離為15mm。詳細幾何結構參見圖1(b)。計算域中設置一個煤油(C12H23)加注點,加注點流量為0.12kg/s,加注點位于凹腔前方水平距離25mm處,加注點距下壁面32mm。計算采用Fluent軟件的二維數(shù)值計算方法,模擬了液態(tài)煤油燃料注入超聲速流場的整個過程。液態(tài)煤油的霧化及氣化過程,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方程的方法計算,湍流模式選用標準k-ε模式,彌散相的計算則采用拉格朗日觀點針對每個粒子進行?；瘜W反應過程采用NS方程組結合多組分輸運方程和一級有限速率化學反應模型模擬。3穩(wěn)火焰機制本研究的計算結果表明,高總焓來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)焰機制:回流區(qū)燃燒機制、回流區(qū)點燃機制、和回流區(qū)整流機制(一種通過調整主流流場,建立適合燃燒的流場條件,進而實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的穩(wěn)焰機制),且三種穩(wěn)焰機制均有可能成為凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中的主導穩(wěn)焰機制。3.1凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)具有強烈的混合作用,可將其看作一個均勻反應器,回流區(qū)內進行著較強烈的燃燒反應,燃燒后的高溫燃燒產物所攜帶的熱量和化學活性物質通過對流與擴散傳輸給新鮮混氣,使之預熱并著火燃燒。圖2給出了該機制占主導地位時形成的燃燒流場結構,這是利用凹腔內部回流區(qū)的混合特性實現(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。計算域左右兩側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后的流場結構云圖。圖2(a)的組分云圖表明燃料進入了凹腔回流區(qū)內部;圖2(b)的反應率和圖2(c)的靜溫云圖則表明,凹腔內部出現(xiàn)了比較強烈的燃燒現(xiàn)象,靜溫得到明顯提升。這些現(xiàn)象表明回流區(qū)燃燒機制為該燃燒流場的主導穩(wěn)焰機制。在本研究的計算中,圖2的流場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入凹腔回流區(qū)內部,回流區(qū)燃燒機制可以發(fā)揮作用。但隨著燃燒釋熱的增加,回流區(qū)開始增大,燃料與空氣的混氣逐漸遠離凹腔。進入回流區(qū)的燃料變少,使回流區(qū)的混合能力難以發(fā)揮,最終流場的穩(wěn)焰機制過渡為回流區(qū)點燃機制,見圖3。因此,利用回流區(qū)燃燒機制穩(wěn)焰的一個關鍵問題便是如何使新鮮混氣進入凹腔回流區(qū)。3.2凹腔內部的穩(wěn)火焰機制回流區(qū)依靠剪切層與主流區(qū)之間交換物質與能量。在超聲速流動中,隨著對流馬赫數(shù)的增加,壓縮效應逐漸增強,剪切層的混合效果會不斷減弱。當凹腔上游的來流是比較穩(wěn)定的超聲速流時,剪切層的混合效果將會大大削弱,凹腔內外的物質與能量交換只能依靠層流或者湍流擴散完成,這將使凹腔內部沒有足夠的新鮮混氣進行強烈的化學反應。同時由擴散作用傳進來的新鮮混氣通過緩慢化學反應釋放的熱量又很難傳遞出去,最終導致整個回流區(qū)成為一個高溫的固定火源。由于是依靠擴散作用,回流區(qū)與主流區(qū)的物質與能量交換會隨著主流馬赫數(shù)的增加(壓縮效應逐漸增強)不斷變弱,該機制的穩(wěn)焰能力隨主流馬赫數(shù)的增加而變弱。圖3給出了該機制占主導地位時形成的燃燒流場結構,這是利用凹腔內部回流區(qū)的高溫特性實現(xiàn)穩(wěn)焰。圖3算例中采用的計算條件與圖2一致,圖2給出的是燃燒形成初期的流場結構云圖,而圖3中給出的是燃燒穩(wěn)定后的流場結構云圖。圖3(a)的組分云圖則表明燃料向遠離凹腔的方向運動,凹腔回流區(qū)內部缺乏新鮮燃料混氣;圖3(b)的反應率和圖3(c)的靜溫云圖表明,化學反應集中在剪切層區(qū)域,凹腔內部基本沒有化學反應。這些現(xiàn)象表明回流區(qū)點燃機制為該燃燒流場的主導穩(wěn)焰機制。3.3凹腔火焰穩(wěn)定器模擬當流場中出現(xiàn)回流區(qū)時,由于回流區(qū)的阻流作用,主流的有效流通面積便會變小。由于超聲速流動的性質,流通面積變小,馬赫數(shù)會下降,靜溫會上升,在超聲速流場中,這一過程中往往還會伴隨著激波的產生,而激波會使靜溫進一步上升。于是,通過改變回流區(qū)的大小,便可以達到使新鮮混氣靜溫上升,進而實現(xiàn)點火燃燒的目的,這便是回流區(qū)整流機制。與前面兩種穩(wěn)焰機制不同,該種機制不是依靠混合擴散點燃預混氣體,受壓縮效應的影響較小,更適合于超聲速流中組織燃燒。當主流的流動參數(shù)滿足合適要求時,噴入主流的燃料便可實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。在該機制中,燃料不進入回流區(qū),回流區(qū)起的作用是調整主流流場,建立適合燃燒的流場條件,進而達到穩(wěn)定燃燒的目的。圖4給出了該機制占主導地位時形成的燃燒流場結構。圖4算例中采用的是圖1(b)的凹腔凸臺火焰穩(wěn)定器。計算域左右兩側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為當前凹腔凸臺火焰穩(wěn)定器中煤油加注及燃燒過程的計算結果。結果表明由位于中心的煤油加注點噴入主流的燃料在沒有與回流區(qū)接觸的情況下實現(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結構。圖中顯示除了在凸臺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)了一個由于激波-邊界層干擾導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。同時在凹腔后端,分離區(qū)誘發(fā)的激波以及凹腔與凸臺誘發(fā)的多道激波交匯,交匯點處形成了局部正激波,激波后的高溫高壓環(huán)境成為一個很好的點火源。圖4(c)與圖4(d)為注入燃料0.1ms后的流場云圖。圖4(c)表明在燃料到達凹腔后端的激波交匯點后,燃料實現(xiàn)了點火燃燒。圖4(d)表明燃料沒有與回流區(qū)接觸。圖4(e)與圖4(f)為注入燃料0.15ms后的流場云圖。圖4(e)表明在該段時間內燃燒區(qū)面積開始變大,位置穩(wěn)定在激波交匯點附近沒有發(fā)生很大變化,正激波向上游移動。圖4(f)表明燃料沒有與回流區(qū)接觸。圖4(g)與圖4(h)為注入燃料0.25ms后的流場云圖。圖4(g)表明燃燒區(qū)已經開始向上下游發(fā)展。這主要是由于燃燒產生的壓力影響開始傳入回流區(qū)。由于回流區(qū)是一個馬赫數(shù)很低的流動區(qū)域,因此傳入回流區(qū)中的壓力將會很快傳遍整個回流區(qū)。燃燒后產生的高壓能通過回流區(qū)迅速傳到燃燒區(qū)上游。由于回流區(qū)內壓力高于主流壓力,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。于是燃燒后產生的影響能夠避開來流超聲速的限制,通過回流區(qū)傳到燃燒區(qū)上游,使得上游的來流條件更適合燃燒,燃燒區(qū)得以向上游推進。圖4(h)表明燃料沒有與回流區(qū)接觸。圖4(i)與圖4(j)為燃燒穩(wěn)定后的流場云圖。圖4(i)表明上壁面處由激波邊界層干擾產生的回流區(qū)已經擴展到了凸臺后部。借助于回流區(qū)對于主流流動的調整,燃燒區(qū)得以在凹腔上游實現(xiàn)穩(wěn)定。圖4(j)則表明燃料始終沒有與回流區(qū)接觸。圖4表明燃料未接觸回流區(qū)便能實現(xiàn)穩(wěn)焰燃燒,這是回流區(qū)點燃機制和回流區(qū)燃燒機制無法解釋的。因而,回流區(qū)整流機制與之前提到的兩種穩(wěn)焰機制是完全不同的。4穩(wěn)理解機理:三種穩(wěn)火焰機制的比較本文的分析表明,高焓來流條件下回流區(qū)中至少存在著三種穩(wěn)焰機制:回流區(qū)燃燒機制、回流區(qū)點燃機制和回流區(qū)整流機制,且三種穩(wěn)焰機制均有可能成為凹腔火焰穩(wěn)定器回流區(qū)中的主導穩(wěn)焰機制。三種穩(wěn)焰機制利用了高焓來流條件下回流區(qū)的不同特性:回