超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室鍋爐配置的優(yōu)化

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室鍋爐配置的優(yōu)化

1弓形激波和能量噴射超速汽油噴霧壓（簡(jiǎn)稱(chēng)超速壓，scramjet）是實(shí)現(xiàn)高超速（ma.5）飛機(jī)的理想推進(jìn)動(dòng)力，也是高超速抗運(yùn)動(dòng)（如高超速抗運(yùn)動(dòng)和航空航天飛機(jī)）的理想動(dòng)力。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料在燃燒室內(nèi)的超聲速氣流中進(jìn)行燃燒。氣流在燃燒室停留時(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)超聲速燃燒,在燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了多種方法。最簡(jiǎn)單的方法是從燃燒室壁孔橫向噴射燃料到超聲速氣流中。燃料射流與超聲速氣流相互作用產(chǎn)生三維弓形激波,在燃料噴嘴的上游引起壁面邊界層分離,在此邊界層氣流與燃料進(jìn)行混合,并達(dá)到火焰穩(wěn)定的目的。此方法的不足之處是由于橫向射流在穿透主流時(shí),形成較強(qiáng)的三維弓形激波,在高速度飛行時(shí),產(chǎn)生較大的總壓損失。為了減小總壓損失,采用有角度地噴射燃料。在超聲速主流中以60°角或30°角噴射燃料,這樣形成的弓形激波比較弱,而且燃料的軸向動(dòng)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的凈推力。以上兩種方法的不足是從壁孔噴出的燃料會(huì)貼在近壁處,從而延緩與氣流核心部分的混合。文獻(xiàn)的研究表明,在飛行馬赫數(shù)為10～13時(shí),在噴嘴上游回流區(qū)和弓形激波后出現(xiàn)氫燃料自燃。但是在類(lèi)似的幾何結(jié)構(gòu)中的不同實(shí)驗(yàn)卻表明:在主流總焓較低時(shí),有角度地噴射燃料就起不到自燃和火焰穩(wěn)定的作用。采用在臺(tái)階后噴射燃料的方法,臺(tái)階產(chǎn)生一個(gè)大的回流區(qū),這種方法可以維持火焰燃燒,但有總壓損失和阻力增加的缺點(diǎn)。另外還可采用后掠斜坡噴射、支板噴射、塔門(mén)噴射、懸臂梁噴射燃料來(lái)增強(qiáng)混合,實(shí)現(xiàn)超聲速燃燒,但由于存在總壓損失較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn),應(yīng)用上受到了限制。俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)中央研究院(CIAM)在對(duì)超燃沖壓發(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,首次成功地實(shí)現(xiàn)了把凹槽作為超聲速燃燒火焰穩(wěn)定器;并應(yīng)用在與法國(guó)聯(lián)合進(jìn)行的氫燃料雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)中。目前,在提高超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能,獲得大的凈推力的幾種新概念中,集燃料噴射、混合及火焰穩(wěn)定為一體的凹槽火焰穩(wěn)定器是其中最具潛力的一種。本文回顧了凹槽的自激振蕩、分類(lèi)及其控制方法,特別是凹槽在用于火焰穩(wěn)定方面所關(guān)注的停留時(shí)間和實(shí)際應(yīng)用中所需考慮的阻力特性;總結(jié)了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)超聲速燃燒中凹槽在增強(qiáng)燃料混合和火焰穩(wěn)定方面的應(yīng)用。2非常復(fù)雜流場(chǎng)的空間組織凹槽穩(wěn)定火焰與其流場(chǎng)特性密切相關(guān)。其流場(chǎng)不僅具有一般流體動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)的特性:邊界層分離、剪切層不穩(wěn)定、渦流、聲輻射和激波/膨脹波的相互作用等,而且在一定條件下,具有自激振蕩的特性。因而凹槽流動(dòng)表現(xiàn)為一個(gè)非常復(fù)雜的流場(chǎng)形式。對(duì)于亞聲速、跨聲速、超聲速流中的凹槽已進(jìn)行了許多的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,包括凹槽自激振蕩、分類(lèi)、控制方法、停留時(shí)間和阻力等,深化了對(duì)凹槽流動(dòng)物理特性的理解,從而使凹槽發(fā)揮其最大作用。2.1超聲速振蕩特點(diǎn)流體流過(guò)凹槽時(shí),在自由主流與凹槽內(nèi)流體之間形成剪切層。剪切層的不穩(wěn)定性是凹槽流體發(fā)生自激振蕩現(xiàn)象的最直接原因。當(dāng)超聲速氣流流過(guò)凹槽時(shí),相對(duì)不穩(wěn)定剪切層的脈動(dòng),引起凹槽內(nèi)流體質(zhì)量周期性的增加和減少。剪切層的再附著點(diǎn)進(jìn)入凹槽時(shí)產(chǎn)生滯止點(diǎn),凹槽的局部壓強(qiáng)增加,質(zhì)量增加,產(chǎn)生了相對(duì)于自由主流以超聲速向凹槽上游傳播的壓強(qiáng)波,同時(shí)在自由主流蔓生了一個(gè)斜激波。當(dāng)壓強(qiáng)波在前緣反射時(shí),凹槽內(nèi)壓強(qiáng)劇增,而外流不受其影響,這時(shí)剪切層壓強(qiáng)躍變使剪切層發(fā)生偏移。反射波相對(duì)于自由主流以亞聲速運(yùn)動(dòng),在自由主流中不產(chǎn)生斜激波。當(dāng)其到達(dá)后緣時(shí),剪切層向外凸起,流體從凹槽內(nèi)吸出。這樣重復(fù)出現(xiàn)的過(guò)程就是凹槽的自激振蕩。Krishnamurty指出流體的自激振蕩主要出現(xiàn)在凹槽的展向、縱向或橫向,縱向?yàn)闅饬髦髁鞯姆较?該方向即為凹槽長(zhǎng)方向,則展向?yàn)榘疾蹖挿较?橫向?yàn)榘疾凵罘较?。Rizzetta對(duì)凹槽的超聲速三維流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出凹槽內(nèi)主要非定常振蕩特性是二維的結(jié)論。Zhang和Edwards的研究支持了這一點(diǎn)。同時(shí)他們研究了主流馬赫數(shù)Ma=1.5和Ma=2.5,開(kāi)放型凹槽(L/D=1,2,3,5,7,9)的振蕩特點(diǎn)。振蕩方向取決于凹槽長(zhǎng)與深的比值(L/D)和主流馬赫數(shù)Ma。當(dāng)L/D增加時(shí),振蕩方向發(fā)生變化,從典型的橫向轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向。橫向振蕩的特點(diǎn)是凹槽內(nèi)出現(xiàn)單個(gè)渦的運(yùn)動(dòng)?？v向振蕩特點(diǎn)是凹槽內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)大而不穩(wěn)定的尾渦和以一定方式從凹槽前緣脫離的渦束。Ma=1.5時(shí),過(guò)渡發(fā)生在L/D=1～2之間,即在L/D≥2的凹槽,振蕩方向?yàn)榭v向。Ma=2.5時(shí),過(guò)渡發(fā)生在L/D=2～3之間。對(duì)于相同L/D的凹槽,Ma=1.5時(shí)產(chǎn)生的振蕩比Ma=2.5時(shí)的強(qiáng)烈。2.2超聲速溝槽流動(dòng)特點(diǎn)和控制方法Rockwell和Naudascher把凹槽的自激振蕩分為三類(lèi):(1)流體動(dòng)力作用。振蕩是由于流動(dòng)相對(duì)不穩(wěn)定性引起的。一方面由于凹槽剪切層旋渦振蕩的放大,另一方面由于凹槽邊緣放大了的擾動(dòng)向上游傳播的反饋?zhàn)饔?(2)流體共振作用。振蕩是由共振波的影響,即可壓縮波或自由表面波的作用;(3)流體彈性作用。振蕩伴隨著固體邊界的運(yùn)動(dòng)。通常在超聲速燃燒室內(nèi)的凹槽流動(dòng)屬于流體共振作用。在流體共振作用這種類(lèi)型中,還可以再進(jìn)行細(xì)分。當(dāng)流過(guò)凹槽的氣流是超聲速時(shí),Stallings和Wilcox把凹槽流動(dòng)分為開(kāi)放、閉合和過(guò)渡型三種類(lèi)型。開(kāi)放型凹槽的流動(dòng)特點(diǎn):在分離點(diǎn)后形成的剪切層橫跨整個(gè)凹槽長(zhǎng)度,在后緣再附著,在分離和再附著點(diǎn)有弱激波,出現(xiàn)高強(qiáng)度的聲波;閉合型凹槽的流動(dòng)特點(diǎn):剪切層在凹槽下底面再附著,不能橫跨整個(gè)凹槽長(zhǎng)度,產(chǎn)生兩個(gè)大的回流區(qū),無(wú)聲波出現(xiàn);過(guò)渡型凹槽處于中間狀態(tài),包括有從開(kāi)放型轉(zhuǎn)向過(guò)渡型,還有從閉合型轉(zhuǎn)向過(guò)渡型。圖1為這三類(lèi)凹槽流動(dòng)和相對(duì)應(yīng)的凹槽底面的壓強(qiáng)分布。對(duì)于超聲速氣流,L/D<10為開(kāi)放型凹槽,L/D>13為閉合型凹槽,L/D=10～13為過(guò)渡型凹槽。盡管對(duì)這樣的定義還存在異議,但是一般在進(jìn)行超聲速凹槽的研究中,這一定義得到了普遍接受,并且認(rèn)為凹槽流動(dòng)的類(lèi)型不僅取決于凹槽長(zhǎng)度與深度之比(L/D),也取決于凹槽前緣邊界層厚度與凹槽的深度之比,主流馬赫數(shù)和凹槽寬度與深度之比。通常采用被動(dòng)的或主動(dòng)的方法來(lái)控制凹槽的自激振蕩。被動(dòng)的控制方法常在凹槽上游安裝一些設(shè)備,如旋渦發(fā)生器、擾流器或變流裝置和整流罩;或者把凹槽的前緣、后緣和前、后緣改為斜坡結(jié)構(gòu)。這些方法對(duì)控制一定流動(dòng)條件的振蕩過(guò)程是非常有效的;不足是在流動(dòng)條件發(fā)生變化時(shí)達(dá)不到有效地控制凹槽振蕩的目的。主動(dòng)的控制方法通過(guò)機(jī)械的、聲波的或流體注入等方法改變剪切層,達(dá)到有效地控制凹槽振蕩的目的,這種方法能適應(yīng)不同的流動(dòng)條件。最常采用的主動(dòng)控制方法是在凹槽前緣部位或其上游連續(xù)或脈沖式的注入流體。2.4保壓槽內(nèi)停留時(shí)間的計(jì)算凹槽的停留時(shí)間定義為流體在它被擠出而進(jìn)入主流之前在凹槽內(nèi)的平均停留時(shí)間,因而停留時(shí)間是凹槽內(nèi)外流體質(zhì)量交換率的直接函數(shù)。假定燃燒放熱不改變流體的卷吸率,停留時(shí)間可以從冷流CFD中推導(dǎo)出來(lái)。在冷流情況下,化學(xué)成分的守恒方程可以寫(xiě)成:dm/dt=?m/τdm/dt=-m/τ,其中τ為停留時(shí)間。改寫(xiě)成凹槽質(zhì)量的指數(shù)衰減率形式:m∝exp(-t/τ),m為凹槽流體質(zhì)量。從冷流計(jì)算得到的停留時(shí)間,可以作為用來(lái)分析凹槽化學(xué)動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)單模型的已知條件,對(duì)于所給定的燃料,在一定壓力和當(dāng)量比范圍內(nèi),可以快速判斷凹槽是否有足夠的尺寸維持燃燒。Davis使用攪拌器反應(yīng)模型,確定停留時(shí)間的下限,即最短停留時(shí)間。并計(jì)算了丙烷、乙烯和甲烷燃燒時(shí)在凹槽內(nèi)停留時(shí)間的上限。當(dāng)主流馬赫數(shù)Ma=1.91,當(dāng)量比為1時(shí),停留時(shí)間分別是0.08,0.03和0.8ms。研究結(jié)果表明停留時(shí)間主要依賴(lài)于凹槽的深度、溫度和燃料與空氣的當(dāng)量比。Baurle等人計(jì)算了主流馬赫數(shù)為2.92的幾種凹槽停留時(shí)間,單位為ms,如表1(豎列為后緣傾角)。當(dāng)L/D增加時(shí),停留時(shí)間增加。在相同的L/D情況下,隨后緣傾角的減小停留時(shí)間減小。Gruber等人計(jì)算了主流馬赫數(shù)為3的冷流,兩種L/D(3,5)凹槽后緣傾角分別為90°,30°和16°的停留時(shí)間,單位為ms,如表2(表中的O1表示凹槽前后緣相對(duì)于凹槽底面高度的比值為1,即凹槽前、后緣相對(duì)于凹槽底面的高度相等)。當(dāng)L/D增加時(shí),停留時(shí)間減小,并且增加凹槽長(zhǎng)度對(duì)改變停留時(shí)間不是很顯著。后緣傾角減小,停留時(shí)間減小。以上這兩個(gè)文獻(xiàn)似乎在計(jì)算停留時(shí)間隨L/D的變化上存在著矛盾,因而需要對(duì)凹槽停留時(shí)間做進(jìn)一步的研究,特別是在實(shí)驗(yàn)方面。2.5l/d對(duì)阻力系數(shù)的影響壓強(qiáng)阻力是凹槽阻力中的主要部分,因而常常只考慮凹槽上、下游的壓強(qiáng)差引起的阻力。凹槽的自激振蕩明顯地改變凹槽內(nèi)的平均靜壓強(qiáng),凹槽的振蕩幅度越大,平均靜壓強(qiáng)越大。20世紀(jì)70年代研究人員對(duì)凹槽阻力的研究取得一定的成果:振蕩使得凹槽阻力增加,特別是當(dāng)外流為亞聲速時(shí),振蕩使得凹槽的阻力增加了250%;在L/D>1和L/D<1之間的凹槽,阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的變化出現(xiàn)了間斷,這是由于波在其間傳播的方向不同(在前者主要為縱向,在后者主要為橫向);阻力系數(shù)隨著L/D的增加而增加,直到L/D≈10,然后隨著L/D的增加而迅速減小。Baysal和Stallings對(duì)馬赫數(shù)為1.5的氣流流過(guò)L/D=6,12和16的凹槽(分別為開(kāi)放、過(guò)渡和閉合型)進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值兩方面的研究,得到L/D=6,12和16的凹槽阻力系數(shù)分別為0.13,0.27和0.88。根據(jù)Zhang和Edwards的研究結(jié)果,從橫向振蕩形式轉(zhuǎn)換為縱向形式時(shí),振蕩水平和阻力突然升高,隨著L/D的增加,振蕩幅度逐漸減小,而阻力系數(shù)明顯增大。后緣傾角從90°減小時(shí),平均阻力系數(shù)減小;凹槽的后緣為曲線時(shí),h/D越大,壓強(qiáng)阻力系數(shù)越小(h為曲線在深度方向的長(zhǎng)度)。Baurle等人計(jì)算主流馬赫數(shù)為2.92幾種凹槽的阻力系數(shù)如表3(豎列為后緣傾角)。隨著L/D的增加,阻力系數(shù)的增加幅度較大。隨著后緣傾角逐漸減小時(shí),阻力系數(shù)增大。Gruber等人計(jì)算的開(kāi)放型凹槽的阻力如表2。對(duì)于相同的L/D,后緣傾角減小,阻力系數(shù)增加。L/D從3增加到5時(shí),阻力系數(shù)增加。研究還表明,隨著L/D的增加,凹槽流動(dòng)從開(kāi)放型變到閉合型時(shí),阻力系數(shù)有較大的增加。從以上的分析可以看出,當(dāng)凹槽流動(dòng)為開(kāi)放型時(shí),阻力系數(shù)隨凹槽L/D的增加而增加。而從實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算兩方面研究所得出的阻力系數(shù)隨后緣傾角的變化的結(jié)論似乎相反;凹槽的L/D≈10及增加到閉合型時(shí),阻力系數(shù)的變化似乎也矛盾。因而為了更好地發(fā)揮凹槽在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的作用,還需進(jìn)一步廣泛研究凹槽的阻力。3超聲速燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)凹槽的流場(chǎng)特性決定了其在燃燒室方面的應(yīng)用。在亞聲速燃燒室中使用凹槽可以追溯到20世紀(jì)50年代。近幾年,為了提高超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,超聲速燃燒使用最具潛力的凹槽作為燃料噴射、混合和火焰穩(wěn)定的方法。凹槽在超聲速燃燒中的作用主要有兩方面:(1)增強(qiáng)混合,采用合理的燃料噴射方法,促使燃料與空氣的混合,而使總壓損失小;(2)穩(wěn)定火焰,在燃燒室溫度、壓強(qiáng)和化學(xué)當(dāng)量比的較大范圍內(nèi),維持燃燒。3.1凹形對(duì)燃料分布的影響在超聲速氣流中,燃料與空氣的混合效率很低,采用凹槽來(lái)提高混合效率是其中的一種方法。文獻(xiàn)數(shù)值分析了振蕩激波作用可以增強(qiáng)燃料與氣流的混合。由于凹槽可以產(chǎn)生振蕩激波,因而可以在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)使用凹槽產(chǎn)生激波增強(qiáng)混合。Sato等人實(shí)驗(yàn)研究主流馬赫數(shù)為1.78,幾種凹槽結(jié)構(gòu)和二次噴射結(jié)構(gòu)的組合情況,揭示了由凹槽誘發(fā)的聲波的擾動(dòng)可以增強(qiáng)混合層的增長(zhǎng)速率,因而認(rèn)為可以提高混合過(guò)程,提高的程度受凹槽形狀的影響,由此造成的壓力損失可以忽略。Yu等人的研究結(jié)果表明,流過(guò)凹槽馬赫數(shù)為2.0的氣流在凹槽下游出現(xiàn)大尺度結(jié)構(gòu),相對(duì)于沒(méi)有施力情況下剪切層的增長(zhǎng)速率因子為3,剪切層的增長(zhǎng)幅度取決于所施加的頻率。他們又通過(guò)對(duì)主流馬赫數(shù)為2.0的非反應(yīng)氣流和燃燒后氣流流過(guò)凹槽的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,凹槽誘發(fā)的流體共振激勵(lì)了高度可壓縮湍流剪切層的大相干結(jié)構(gòu),大相干結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了剪切層的增長(zhǎng)速率,這有助于提高湍流的混合。Burnes等人也指出從凹槽后緣脫離的大相干結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)混合。同時(shí)他們研究了替代燃料(氦氣或四氟乙烯)從凹槽內(nèi)或附近噴射的情況,燃料噴入凹槽會(huì)抑制自激振蕩和相干結(jié)構(gòu)的形成,而燃料噴入凹槽的尾跡會(huì)卷入相干結(jié)構(gòu)中。Hsu等人研究在冷流馬赫數(shù)為2.0情況下,凹槽結(jié)構(gòu)、燃料噴射壓強(qiáng)和背壓等對(duì)凹槽燃料分布和燃料輸運(yùn)機(jī)理的影響。對(duì)于從凹槽上游壁孔小角度的乙烯燃料噴射方式,剪切層的燃料分布和剪切層與凹槽后緣的相互作用是決定燃料輸運(yùn)到凹槽的關(guān)鍵因素。背壓激波鏈引起的邊界層分離對(duì)凹槽燃料分布有重要的影響。對(duì)于凹槽增強(qiáng)超聲速氣流與燃料混合的研究越來(lái)越深入,但缺少結(jié)合凹槽的幾何形狀、實(shí)際飛行中的氣流條件及所使用燃料等方面的系統(tǒng)研究,今后應(yīng)該在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上加強(qiáng)凹槽在超聲速燃燒室的實(shí)驗(yàn)研究,同時(shí)還可求助于數(shù)值計(jì)算工具。3.2燃料和氣流混合采用凹槽穩(wěn)定火焰:在凹槽內(nèi)或上游噴射燃料,氣流流過(guò)凹槽的流動(dòng)特性增強(qiáng)燃料和氣流的混合;當(dāng)在外界能量條件下點(diǎn)火,或主流達(dá)到燃料的自燃條件時(shí),燃料進(jìn)行燃燒,放出大量熱量,這樣凹槽形成一個(gè)高溫低速的回流區(qū)。這個(gè)回流區(qū)有助于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,從而使火焰穩(wěn)定。3.2.1溝槽火焰穩(wěn)定特性用于超聲速燃燒的凹槽火焰穩(wěn)定器最早是由CIAM設(shè)計(jì)的,俄羅斯科學(xué)家已證明了凹槽在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中的有效性,特別是試飛實(shí)驗(yàn)的成功,促進(jìn)了在這方面的深入研究。Niioka等人研究了在兩支板間(類(lèi)似于凹槽)的火焰穩(wěn)定特性。氫燃料從前支板平行噴入兩支板之間,即凹槽內(nèi)部,當(dāng)主流馬赫數(shù)為1.5時(shí),火焰穩(wěn)定,其穩(wěn)定性依賴(lài)于兩支板間的距離。Morrison等人研究了燃料直接噴入凹槽回流區(qū)火焰的吹熄范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了凹槽火焰穩(wěn)定器可用于一般的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合的燃燒室設(shè)計(jì)中的這一思想。文獻(xiàn)中研究了主流馬赫數(shù)為3～5,燃料從凹槽上游噴嘴平行噴射,L=25,D=18的凹槽可以提高火焰穩(wěn)定和燃燒效率;在相同的條件下,隨著當(dāng)量比的增加,燃燒效率減小。文獻(xiàn)是對(duì)一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)用氫作燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在馬赫數(shù)為6.5的飛行測(cè)試中進(jìn)行流路的對(duì)比分析及對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)。在所用的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中有兩個(gè)凹槽(20mm×40mm和30mm×53mm)和一個(gè)后沿臺(tái)階,燃料從凹槽和臺(tái)階上游有角度地噴入主流,噴入燃料的60%在凹槽發(fā)生反應(yīng),說(shuō)明凹槽增強(qiáng)燃料與氣流的混合;不需要火花塞點(diǎn)火,燃料在凹槽內(nèi)自發(fā)點(diǎn)火,并且火焰可以繼續(xù)維持;然而在沒(méi)有凹槽時(shí)將不出現(xiàn)自燃。Owens等人研究了煤油燃燒的火焰穩(wěn)定器。實(shí)驗(yàn)條件是主流馬赫數(shù)為1.8,滯止溫度為300K～1000K,氫作為引導(dǎo)火焰從凹槽內(nèi)噴入,煤油在凹槽前緣噴入,使用三種火焰穩(wěn)定器(后沿臺(tái)階、后緣傾角30°的凹槽及其它的變形)。研究結(jié)果表明,氣流的滯止溫度通過(guò)改變局部的當(dāng)量比對(duì)火焰穩(wěn)定起很大作用;使用凹槽(L/D=2.8)可以產(chǎn)生大的回流區(qū),因而火焰穩(wěn)定。Yu等人對(duì)凹槽在超聲速反應(yīng)流中的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。使用了用于模擬雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的設(shè)備,包括等截面的隔離段和其后面積擴(kuò)張的燃燒室,分析了主流馬赫數(shù)為2,燃料乙烯從凹槽上游采用45°角度噴入主流,幾種不同L/D(分別為0.5,1,2,3)和傾斜后緣結(jié)構(gòu)(L/D=5)凹槽的流場(chǎng)特性及火焰穩(wěn)定性。小比值L/D(1,2,3)的凹槽有良好的火焰穩(wěn)定特性。大比值(L/D=5)的凹槽縮短了火焰長(zhǎng)度,壓強(qiáng)有大的損失。Mathur等人在直聯(lián)式的超聲速燃燒室設(shè)備中,對(duì)集燃料噴射和火焰穩(wěn)定為一身,L/D=4.8,后緣傾角為22°的凹槽的火焰穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)達(dá)到飛行馬赫數(shù)為4～5,動(dòng)壓為47.88kPa的條件下,先在凹槽內(nèi)部噴射少量乙烯燃料,作為引導(dǎo)火焰,再在其上游噴射燃料,不需要外界輔助點(diǎn)火設(shè)備,燃料自行點(diǎn)火并繼續(xù)燃燒。在乙烯與空氣的當(dāng)量比為0.25～0.75時(shí)火焰可以繼續(xù)維持,測(cè)量?jī)敉屏_(dá)667N～1780N,燃燒效率在80%;隨著當(dāng)量比的增加,凈推力增加,在當(dāng)量比大于0.6以后,由于燃燒效率的降低,凈推力增加幅度減小。在國(guó)內(nèi),1994年西北工業(yè)大學(xué)與航天31所合作,在氫燃料雙模態(tài)超聲速模型燃燒室中設(shè)計(jì)了凹槽用來(lái)作為火焰穩(wěn)定,但未作深入的探討。近兩年國(guó)內(nèi)積極開(kāi)展了超聲速燃燒室中凹槽火焰穩(wěn)定特性的研究:司徒明等人在地面連管試驗(yàn)臺(tái)對(duì)雙凹槽和預(yù)燃室結(jié)構(gòu)下的超聲速煤油燃燒進(jìn)行了研究。試驗(yàn)是按照飛行馬赫數(shù)為5來(lái)給出燃燒室空氣流條件,采用預(yù)燃室內(nèi)的高溫燃?xì)鈦?lái)引燃從第一個(gè)凹槽(L/D=4.1)內(nèi)噴出的煤油,第二個(gè)凹槽L/D=1.87,后緣傾斜角為30°。在主流馬赫數(shù)為2.15時(shí),雙凹槽結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)混合和強(qiáng)化燃燒;采用預(yù)燃室內(nèi)的高溫燃?xì)鈦?lái)實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火,超聲速燃燒過(guò)程穩(wěn)定;燃燒效率隨著燃燒室當(dāng)量比的增加而增加,燃燒效率可達(dá)0.8以上。俞剛等人對(duì)煤油-氫雙燃料的超聲速燃燒室中的自點(diǎn)火和燃燒穩(wěn)定性在直聯(lián)式實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,引導(dǎo)氫從凹槽前緣的小孔平行射入主流,煤油在凹槽的下游垂直噴入主流。當(dāng)燃燒室入口馬赫數(shù)為2.5時(shí),在無(wú)強(qiáng)迫點(diǎn)火能源的條件下,利用氫引導(dǎo)火焰與凹槽結(jié)構(gòu)聯(lián)合促進(jìn)作用能使煤油點(diǎn)火并持續(xù)穩(wěn)定燃燒,引導(dǎo)氫的噴射與煤油噴射點(diǎn)的距離對(duì)點(diǎn)火特性有重要的影響;梯形凹槽比矩形凹槽點(diǎn)火性能差,凹槽的長(zhǎng)度與深度對(duì)點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定有較大的影響,而后緣傾斜角度的影響作用不大,凹槽溫度場(chǎng)高度不均勻;并列的兩個(gè)凹槽比單個(gè)凹槽有更好的火焰穩(wěn)定性,燃燒效率可達(dá)80%。凹槽作為超聲速燃燒的火焰穩(wěn)定器已進(jìn)行了不少的試驗(yàn)研究,取得了大量的成果。但還有一些問(wèn)題亟待解決,如,對(duì)于一定的主流條件,如何確定凹槽幾何尺寸使其具有良好的火焰穩(wěn)定特性,又使總壓損失達(dá)到最小,目前的研究中還未考慮;缺少系統(tǒng)地研究主流條件、凹槽的幾何結(jié)構(gòu)、燃料類(lèi)型及噴射方式、化學(xué)反應(yīng)等的相互影響。這些問(wèn)題的解決對(duì)優(yōu)化凹槽火焰穩(wěn)定作用,最大限度地提高超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是至關(guān)重要的。3.2.2燃燒模型材料Davis利用CFD技術(shù)對(duì)二維和三維的超聲速流中凹槽的火焰穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。凹槽火焰穩(wěn)定器可以使碳?xì)淙剂显诔紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒,達(dá)到火焰穩(wěn)定的目的。研究了火焰極限條件,停留時(shí)間,熱損失對(duì)火焰穩(wěn)定的影響。劉敬華等人對(duì)超聲速燃燒室模型內(nèi)非定常準(zhǔn)一維流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,計(jì)算中綜合了面積變化、質(zhì)量添加、化學(xué)反應(yīng)、燃燒室壁面散熱、壁面摩擦和變比熱等各種影響因素,燃燒效率隨當(dāng)量比的增加而減小。劉敬華等人又對(duì)這一模型燃燒室進(jìn)行了二維的數(shù)值模擬,燃燒室模型上、下壁面不對(duì)稱(chēng),下壁面向下擴(kuò)張3°,上下壁面設(shè)置空腔,空腔的后壁面傾斜45°。燃料在凹槽前緣和內(nèi)部垂直噴入馬赫數(shù)為2.1的主流中。計(jì)算結(jié)果表明:空腔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)劇烈,迅速向主流擴(kuò)散火焰?？涨粩U(kuò)大了超燃燃燒室的火焰穩(wěn)定工作范圍,并提高了燃燒效率。在當(dāng)量比接近燃料的恰當(dāng)比時(shí),凹槽對(duì)燃燒室性能影響最大。隨著CFD技術(shù)算法及各類(lèi)模型的改進(jìn),其計(jì)算精度越來(lái)越高,同時(shí)相對(duì)于試驗(yàn)研究具有可重復(fù)性、低耗費(fèi)性等優(yōu)點(diǎn),因而成為超聲速燃燒凹槽火焰穩(wěn)定研究的主要方法之一