沖壓發動機燃燒室進氣畸變模擬裝置設計及試驗

王寅會, 張 炎, 裘 云, 趙書苗, 凌文輝

(中國航天科工集團三十一研究所, 北京 100074)

沖壓發動機燃燒室進氣畸變模擬裝置設計及試驗

王寅會*, 張 炎, 裘 云, 趙書苗, 凌文輝

(中國航天科工集團三十一研究所, 北京 100074)

設計畸變模擬裝置是沖壓發動機中解決進氣道和燃燒室匹配問題的一個經濟有效的手段。提出采用非均勻開孔率孔板作為進氣畸變模擬裝置。研究結果表明，因孔板局部位置堵塞比存在差異，氣流經過后，下游截面的流量、壓力和馬赫數會產生梯度變化，進而形成畸變流場，通過數值計算、對比結果及改進開孔率的循環優化過程后，最終得到的流場在分布規律及數值上均與目標流場吻合較好。經試驗驗證，試驗結果與目標流場分布規律一致，馬赫數畸變指數偏差小于5%，證明了方法的可行性。

沖壓發動機；進氣道；燃燒室；畸變模擬裝置；試驗

0 引 言

亞燃沖壓發動機復雜的進氣道型面往往導致燃燒室入口存在較大的流場畸變，而流場的不均勻性對燃燒室性能及穩定工作有重要影響[1]。為獲得準確的燃燒室性能，一般需開展全尺寸的進氣道與燃燒室的聯合試驗，但在發動機的初始研究階段，方案變動頻繁，而加工全尺寸進氣道試驗件耗費巨大，因此采用畸變模擬裝置替代進氣道模擬燃燒室入口流場顯然是一種更加經濟有效的手段。

目前關于畸變模擬裝置的研究多以航空發動機為背景。插板式畸變模擬器是最為常見的畸變模擬裝置[2-7]，其特點是結構簡單、通用性好、安裝方便，通過調整模擬器安裝方位及插板高度即可實現對不同畸變流場的模擬。此外，其它結構類型的畸變模擬裝置還包括金屬網結構[8]、多層板結構[9]以及形狀各異的擾流板結構[10-12]等。這些畸變模擬裝置的共同點是在畸變度大小的模擬上與實際流場有較高的一致性，但對流場分布的模擬精度較差，這主要是由于航空發動機中更加關注畸變度對發動機工作穩定性的影響，因而在設計上著重于畸變度大小的模擬，而流場分布只要求近似即可[9]，但在沖壓發動機中，進氣道緊鄰燃燒室，進氣道出口流場分布規律直接影響燃燒室供油噴孔的排布及火焰穩定器的設計，因此要求模擬的流場分布必須精確。

本文采用非均勻開孔率孔板作為燃燒室進氣畸變模擬裝置并進行了試驗驗證，該裝置在設計思路上更側重于對流場分布的模擬，對沖壓發動機燃燒室設計具有較強的指導性。

1 設計流程

本文設計的畸變模擬裝置(簡稱畸變模擬器)是一種非均勻開孔率的孔板結構，其基本原理是利用孔板不同位置局部堵塞比的差異，均勻氣流經過后流量在同一截面的分配不同，進而導致截面的壓力和馬赫數等參數存在梯度，即產生畸變流場。圖1為畸變模擬器的設計流程。首先分析真實的燃燒室入口截面流場，即分析目標流場的壓力或馬赫數分布，之后根據流場等高線譜劃分若干區域，不同區域布置不同開孔率的氣孔陣，形成三維模型后采用數值仿真的方法對流場進行計算并與目標流場進行對比，期間通過反復迭代計算和對比的方式優化畸變模擬器的開孔率，最后采用與目標流場相似度最高的方案進行試驗驗證。

圖1 設計流程

2 設計方法及步驟

2.1 目標流場分析

2.2 區域劃分及氣孔布置

根據圖2目標流場的Ma分布規律，可以按照梯度大小將截面劃分為7個區域，如圖3所示，在不同區域布置開孔率不同的氣孔，由于開孔率導致堵塞比存在差異，均勻氣流經過后在下游同一截面上的壓力及速度會呈現梯度，調整各區域的開孔率大小，梯度大小即會發生變化。圖2中顯示Ⅰ區域馬赫數最大，因此開孔率也應最大，之后依次減小，Ⅶ開孔率最小。根據經驗，孔板開孔率最大可達到75%左右，最小約10%，因此在首次布置氣孔時，最高馬赫數區域開孔率可設計為75%，最低馬赫數區域開孔率為10%，其它區域根據馬赫數下降斜率依次給定，例如，Ⅱ區馬赫數為0.5，則開孔率=75%-(75%-10%)/(0.55-0.05)×(0.55-0.5)=68.5%。圖4為畸變模擬裝置開孔示意圖。

圖2 目標流場截面馬赫數云圖

2.3 計算模型及邊界條件

畸變模擬裝置氣孔布置完畢后采用Fluent軟件進行三維的流場計算并與目標流場進行對比，期間需反復根據對比結果優化開孔率。

圖3 區域劃分 圖4 畸變模擬裝置開孔示意圖

Fig.3 Zone division Fig.4 Distortion simulation board with holes arrangement

計算模型如圖5所示(幾何結構及尺寸與實際情況相同)，網格為非結構化網格，湍流模型選用標準k-ε模型，采用基于壓力的隱式求解器求解，計算精度為一階。邊界條件如下(進出口條件與實際工況相同)：

進口：流量9.5kg/s(1/2模型)，總溫764.9K。

出口：壓力115kPa，溫度764.9K。

計算模型壁面采用絕熱、速度無滑移條件。對稱面設為Symmetry。

圖5 計算模型

2.4 最終計算流場結果分析

經反復迭代優化后，可得到與目標流場吻合度最高的開孔方案。最終方案中Ⅰ區開孔率最大，為72%；Ⅶ最小，為15%，平均開孔率約49%，總壓恢復系數約74%。由于畸變模擬器整體的平均開孔率較小，流動損失要大于一般的整流孔板。

圖6 數值計算馬赫數云圖

3 試驗驗證

3.1 試驗系統

試驗系統如圖7所示，主要包括進氣、排氣、測量和控制4大系統。

圖7 試驗系統

試驗在高空艙內進行，氣流在進入高空艙之前由加熱器加熱到試驗狀態所需溫度，然后通過流量噴管控制流量，經過畸變模擬器和壓力測量裝置后流入排氣系統。排氣系統中的引射裝置對高空艙抽反壓，以確保測量段出口壓力滿足試驗要求。整個試驗過程中，測量系統通過測量傳感器、信號處理器和數據采集卡完成數據采集，然后反饋給計算機進行統一控制。

3.2 試驗狀態及測量參數

本次試驗的目的是驗證畸變模擬器后流場與仿真計算結果及目標流場的一致性，因此試驗狀態與實際條件相同，進氣總溫764.9K，進氣總壓0.325MPa，空氣流量19kg/s，出口壓力115kPa。試驗中通過控制流量噴管前的氣流總溫Ttm和總壓ptm來模擬進氣條件(測量位置見圖7)，而出口壓力pn由排氣系統對高空艙抽反壓控制。

在畸變模擬器下游燃燒室入口位置布置8個總壓測量耙用來測量畸變流場壓力pt2的分布，每個測量耙按照等面積布置測點5個，測點1～5由外到內分布，圖8為測點示意圖。

圖8 總壓測點分布

3.3 試驗件

畸變模擬器試驗件如圖9所示，其開孔布局與仿真計算方案相同且左右對稱。試驗件與總壓測量耙對應位置如圖所示，測量耙4對應開孔率最小，即低馬赫數區域，測量耙1對應開孔率最大，即高馬赫數區域。

圖9 畸變模擬裝置結構示意圖

3.4 試驗結果分析

圖10為試驗中燃燒室入口總壓pt2各測點數值隨時間的變化規律。由圖可知，在約14s的時間步長內，各測點數據基本不變，說明試驗狀態穩定，測量數據有效。其中平均總壓最高的為測量耙1，之后依次為2、8、5、3、7、6，測量耙4的總壓最低。此分布趨勢與圖9中試驗件擺放位置完全對應，測量耙1和2對應試驗件開孔率最大區域，氣流流量最大，因此壓力較高，而測量耙4、6、7位置開孔率較小，對應的總壓也較低。

(a) Rake 1

(b) Rake 2

(c) Rake 3

(e) Rake 5

(f) Rake 6

(g) Rake 7

(h) Rake 8

根據各測點的總壓測量結果，利用OriginPro8軟件可描繪出燃燒室入口截面等壓及等馬赫數線圖，如圖11和12。對比圖2和6，試驗所得流場的馬赫數分布規律與目標流場及仿真計算流場基本一致，各馬赫數位置及范圍吻合較好，驗證了設計方法的可行性。

圖11 試驗所得總壓分布圖 圖12 試驗所得馬赫數分布圖

Fig.11 Experimental total pressure contour line Fig.12 Experimental Mach number contour line

4 結 論

針對亞燃沖壓發動機燃燒室進氣畸變流場，本文提出采用非均勻開孔率孔板作為畸變模擬裝置并進行了相應的試驗驗證。結果表明，采用該方法設計的畸變模擬裝置，其模擬流場無論在分布規律還是數值上均與實際流場吻合較好，馬赫數畸變指數偏差小于5%，證明了設計方法的可行性，對沖壓發動機進氣道與燃燒室的匹配設計具有較強的指導意義。

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(編輯：李金勇)

Design and experimental demonstration of distortion simulation board of ramjet combustor

Wang Yinhui*, Zhang Yan, Qiu Yun, Zhao Shumiao, Ling Wenhui

(The 31stResearch Institute of CASIC, Beijing 100074, China)

Design of distortion simulation board is an economic and efficient way to solve the matching problem between the inlet and the combustor of the ramjet. A method of designing the distortion simulation board for the ramjet combustor is put forward and proved by experiment. The results show that an orifice plate with nonuniform holes of design can serve as the distortion simulation board, and the simulation flow field is in good agreement with the target flow field. The method is applicable in experiments and design of ramjet combustors.

ramjet;inlet;combustor;distortion simulation board;experiment

1672-9897(2016)01-0107-06

10.11729/syltlx20150033

2015-03-02;

2015-07-19

WangYH,ZhangY,QiuY,etal.Designandexperimentaldemonstrationofdistortionsimulationboardoframjetcombustor.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(1): 107-112. 王寅會, 張 炎, 裘 云, 等. 沖壓發動機燃燒室進氣畸變模擬裝置設計及試驗. 實驗流體力學, 2016, 30(1): 107-112.

V211.6

A

王寅會(1986-)，男，河北饒陽人，工程師。研究方向：沖壓發動機設計及試驗研究(包括氣動、燃燒、傳熱及結構等領域)。通信地址：北京7208信箱9分箱(100074)。E-mail: foxlwyh@163.com

*通信作者 E-mail: fox1wyh@163.com