支板-凹腔組合結構對煤油混合的數值分析*

王宏宇,高　峰,王應洋

(空軍工程大學防空反導學院,西安　710051)

支板-凹腔組合結構對煤油混合的數值分析*

王宏宇,高峰,王應洋

(空軍工程大學防空反導學院,西安710051)

摘要:為研究超聲速燃燒室的混合特性,采用離散相模型對帶有支板-凹腔組合結構的煤油超燃沖壓發動機燃燒室進行了數值模擬,分析了凹腔長深比和凹腔后緣傾角變化對煤油混合特性的影響。計算結果表明,大長深比的凹腔構型增大了燃料的穿透深度,拓寬了煤油與空氣的接觸面積,從而使混合效率增加。后緣傾角為30°的凹腔較后緣傾角為45°的凹腔更容易卷吸主流中的燃料,增加燃料與凹腔內氣體的質量交換。

關鍵詞:超聲速燃燒室;支板-凹腔火焰穩定器;混合效率;數值模擬

0引言

超燃沖壓發動機可作為高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機、跨大氣層飛行器以及可重復使用空間發射器和單級入軌空天飛機的動力裝置[1]。燃燒室是超燃沖壓發動機的重要組成部分。對于燃燒室的設計,必須要保證燃料在有限空間、極短時間內,在復雜流動狀態下完成摻混、燃燒等物理化學變化使燃燒室正常工作并且性能損失小[2-3]。對于液態煤油燃料來講,由于其點火延遲時間長,與空氣混合時要經歷霧化、蒸發等過程更加大了其摻混和點火的難度,所以有必要對煤油的摻混特性進行分析。大量研究表明,支板可直接將燃料平行噴入主流,提高了燃料的穿透深度且可促進混合;凹腔可提供活化自由基和回流區,有助于點火和火焰穩定且阻力小[4-6]。基于以上考慮,近些年來,對支板和凹腔組合構型的燃燒室也展開了研究[7-9],但對支板-凹腔組合結構對煤油的摻混特性影響的研究還很少。文中通過改變凹腔的長深比和后緣傾角,分析了其對煤油摻混特性的影響。

1計算模型及數值方法

1.1　計算模型

計算模型為北京航空航天大學直連式試車臺的超燃沖壓發動機燃燒室局部模型,文中將模型燃燒室下游支板和凹腔部分進行簡化處理,其結構示意圖及尺寸如圖1所示。模型總尺寸為800 mm×100 mm×90 mm,上壁面擴張角為3.43°。支板尾端與凹腔上沿平齊,與燃燒室入口同高,側壁面均布置9個煤油噴孔,直徑為0.4 mm。

圖1　燃燒室局部結構簡圖及支板幾何尺寸(單位:mm)

1.2　網格劃分及邊界條件

用Gambit軟件將計算模型劃分為分塊的結構化網格,第一層網格到壁面的距離為5×10-4mm,將y+值控制在0~50之間。在燃燒室及支板凹腔壁面、凹腔剪切層及流動參數梯度大的地方做加密處理,網格總數約為120萬。圖3給出了燃燒室側壁面、下壁面和x=0.25和x=0.35截面上的網格。

圖2　部分計算網格

采用SSTk-ω模型封閉方程組,求解三維可壓縮雷諾平均N-S方程。空氣入口采用壓力入口邊界條件,出口為超聲速出口,壁面為絕熱無滑移邊界條件。在拉格朗日坐標系下模擬煤油的流動,假設煤油為0.4 mm的均勻液滴,采用Wave模型模擬其霧化蒸發過程,煤油與主流空氣參數進行耦合計算。空氣及煤油的入口參數如表1所示。通過改變凹腔長深比及后緣傾角,文中對6個算例進行計算,如表2所示。

表1　空氣及噴孔入口參數

表2　算例標記

2計算結果及分析

2.1　相關參數定義

1)混合效率ηm可用下式定義:

(1)

(2)

2)總壓恢復系數

總壓恢復系數σ用下式定義:

(3)

2.2　支板-凹腔組合煤油混合特性分析

由圖3可知,支板尾端產生旋渦,旋渦可增加燃料的駐留時間,同時可增強煤油與空氣的混合,流線螺旋式地流向燃燒室上壁面,使燃料向上牽引。凹腔上沿附近產生回流區,說明凹腔對燃料有卷吸作用,產生旋渦,增強混合,同時增大了煤油在燃燒室中的駐留時間。支板與凹腔組合發揮了支板與凹腔的聯合作用,更有利于燃料混合的加強。另一方面,凹腔產生的旋渦溫度更高,可為煤油的點燃提供條件。燃燒室側壁面與上壁面拐角處產生流向渦,也加強了混合效果。

圖3　y=0.005截面流線和溫度圖

2.3　凹腔長深比和后緣傾角對煤油摻混的影響

圖4給出了不同凹腔長深比x=0.3、x=0.5、x=0.7截面的煤油質量分數云圖,由圖4可見,煤油燃料主要集中在燃燒室縱向中心區域,凹腔可使煤油向展向擴散,增加了煤油的穿透深度。長深比為6的凹腔穿透深度較低;相比之下,長深比為9的凹腔使煤油更加向展向擴展,增大了煤油與空氣的接觸面積;長深比為12的凹腔使煤油的穿透深度最高,而且可使煤油更加集中于燃燒室中心,能夠實現更好的混合。

圖4　不同凹腔長深比煤油質量分數云圖(x=0.3,x=0.5,x=0.7)

圖5　對稱截面煤油質量分數云圖

圖5給出了各個算例對稱截面煤油的質量分數云圖,x=0.2 mm位置為支板尾端位置。由圖可知,后緣傾角為30°比后緣傾角為45°的凹腔內存在較多的煤油組分,說明較小的后緣傾角能夠卷吸更多的燃料,增加氣體與凹腔的質量交換,這對燃料的混合與點燃都是有利的。

圖6和圖7為各算例混合效率和總壓恢復系數曲線,顯示了凹腔不同長深比和后沿傾角的混合效果和總壓損失。由圖6可知混合效率沿x軸方向不斷升高,大長深比的凹腔有較大的混合效率。凹腔長深比相同時,30°后緣傾角凹腔的混合效率略大于45°后緣傾角的凹腔,長深比為9時幾乎相同。由圖7可知,凹腔長深比為6時,總壓恢復系數較高,在0.79~0.8之間,后緣傾角為45°時略大,但相差不大;凹腔長深比越大,總壓恢復系數越小,但凹腔長深比為9和12時,總壓恢復系數也近似相等,較長深比為6的凹腔下降約3.8%。可認為,大長深比的凹腔在增加混合效率的同時也帶來一定的總壓損失。

圖6　混合效率曲線

圖7　總壓恢復系數

3結論

1)支板凹腔組合結構通過支板尾端、凹腔內的回流區、凹腔產生的流向渦及激波的共同作用來增加燃料與空氣的混合。

2)文中算例中,大長深比的凹腔可增加煤油燃料的穿透深度,增加燃料與空氣的混合效率,但總壓損失較大。

3)文中算例中,后緣傾角為30°的凹腔較后緣傾角為45°的凹腔更容易卷吸主流中的氣體,增加燃料與凹腔內氣體的質量交換。

參考文獻:

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[9]楊陽. 超燃燒室火焰穩定技術的試驗研究 [D]. 北京: 北京航空航天大學, 2012.

收稿日期:2014-07-04

作者簡介:王宏宇(1989-),男,遼寧丹東人,碩士研究生,研究方向:航空宇航推進理論與工程。

中圖分類號:V211.3

文獻標志碼:A

Numerical Study on the Mixture of Kerosene Using Strut-cavity Structure

WANG Hongyu,GAO Feng,WANG Yingyang

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Abstract:Numerical simulation with discrete phase model was made on supersonic combustor with a strut-cavity structure to study the mixture characteristics of the supersonic combustor. The effect of the cavity’s length to depth ratio (L/D) and the aft angle on the kerosene mixture characteristics was analyzed. The results show that the structure with big L/D contributes to the mixture of the fuel and air with higher mixture efficiency; the cavity with 30° aft angle involves more fuel than that with 45° aft angle, increasing the mass exchange between the fuel and the air in the cavity.

Keywords:supersonic combustor; strut and cavity flame-holder; mixture efficiency; numerical simulation