凹腔布置方案對氣化煤油超聲速燃燒特性的影響*

鐘　戰，王振國，孫明波

(1.國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙　410073；2.國防科技大學 高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室， 湖南 長沙　410073)

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凹腔布置方案對氣化煤油超聲速燃燒特性的影響*

鐘戰1,2，王振國1,2，孫明波1,2

(1.國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙410073；2.國防科技大學 高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室， 湖南 長沙410073)

摘要：針對兩種凹腔布置方案，模擬馬赫數6.0的來流條件，采用氣化RP-3開展了一系列直連式燃燒試驗。依據燃燒流場的可見光圖像、燃燒室壁面靜壓分布和推力增益，對比分析了凹腔布置方案對氣化煤油超聲速燃燒特性的影響。結果表明，凹腔布置方案和當量比對燃燒室內的火焰分布、燃料的釋熱特性和發動機燃燒性能有顯著影響。并聯凹腔的火焰與釋熱主要集中在凹腔附近，燃料比沖對當量比不敏感；單凹腔的火焰與釋熱分布更加分散，燃料比沖隨當量比的增加而提高。

關鍵詞：超燃沖壓發動機；氣化煤油；凹腔；當量比；燃燒特性

當飛行馬赫數低于8時，利用吸熱型碳氫燃料的物理和化學熱沉對高超聲速飛行器進行再生冷卻是目前常用的熱防護方案[1-3]。冷卻通道內，當壓強和溫度均超過熱力學臨界點后，液態煤油碳氫燃料可以直接進入超臨界態。范學軍[4]和高偉[5]等研究發現當溫度足夠高時，噴注過程中超臨界RP-3可以聲速進入燃燒室而不經歷相變過程。因為省略了霧化和蒸發過程，超臨界RP-3的燃燒性能相對于室溫RP-3有大幅提升[4,6]。但由于RP-3的化學活性[7]遠低于氫氣和乙烯等燃料，如何在毫秒級的燃燒室停留時間內實現可靠的火焰穩定與高效燃燒，仍然是發動機設計過程面臨的重大挑戰之一。

由于具有穩焰范圍寬和總壓損失小的優點，凹腔火焰穩定器[8-14]廣泛應用于超燃沖壓發動機中。凹腔形成的低速回流區改善了燃料與空氣的混合程度和火焰穩定性[15-17]，同時對釋熱分布有重大影響[18-19]。為進一步改善燃料與空氣的混合、優化釋熱分布和增強超燃沖壓發動機性能，有研究人員采用了多凹腔組合的方法。俞剛等[20-21]對比了單凹腔和串聯凹腔(凹腔安裝于燃燒室同側壁面)的液體煤油點火與燃燒特性，發現串聯凹腔改善了液體煤油的點火與火焰穩定性、提高了發動機燃燒性能。Collatz等[22]發現相比于單凹腔，超聲速燃燒室采用并聯凹腔(凹腔安裝于燃燒室異側壁面)后，乙烯的燃燒性能有顯著提升。潘余等[23-24]研究了超燃沖壓發動機燃燒室內凹腔并聯和串聯安裝時的燃燒流場，發現凹腔安裝構型對流場有重大影響：串聯凹腔形成了單邊火焰分布，而并聯凹腔使得兩側壁面火焰充滿了整個流道。范周琴等[25]采用大渦模擬方法和火焰面模型分析了超燃沖壓發動機多凹腔燃燒室內的混合與燃燒過程。結果表明：凹腔串聯和并聯均能增強混合，混合效率最大可提高20.95%和9.52%；凹腔串聯和并聯均能增強燃燒，燃燒效率最大可提高14%和16.94%；燃燒時凹腔串聯總壓損失更小，但凹腔并聯燃燒釋熱更快。

現有研究已證明凹腔布置方案對超燃沖壓發動機的混合與燃燒性能有重大影響。但目前針對凹腔布置方案對發動機火焰穩定、釋熱特性和燃燒性能的影響的研究還不夠系統深入，尤其是這種影響隨當量比等工況參數的變化規律更是少見；同時，現有研究主要以液體煤油或乙烯為燃料，針對氣化煤油的研究較少。鐘戰等通過改變燃料噴注壓強，在不同當量比下對比研究了氣化煤油在單凹腔和并聯凹腔燃燒室中的火焰穩定特性、釋熱特性和燃燒性能。研究結果可以為吸熱型碳氫燃料的燃燒組織方法提供參考。

1試驗裝置

圖1　超燃沖壓發動機直連式試驗系統示意圖Fig.1　Schematic of direct-connect scramjet test facility

試驗所用的直連式超聲速燃燒實驗系統[7,26-27]如圖1所示，包括空氣加熱器、超聲速噴管、超燃模型燃燒室、燃料供應系統和測控系統。空氣加熱器模擬飛行馬赫數6.0的來流條件，生成的熱空氣總流量為1.71 kg/s。模型燃燒室入口來流的具體參數見表1。

表1　試驗工況

模型燃燒室結構如圖2所示(圖中長度單位為mm)，包含1個入口尺寸為54.5 mm×75 mm(H×W)的等截面隔離段和3個擴張角分別為2.5°，3.5°和4°的擴張段。擴張段安裝有2個尺寸相同的噴注與火焰穩定一體化凹腔，分別記為T1和B1。凹腔結構如圖3所示，深度D、長度L和后緣傾角A分別為15 mm，110 mm和45°。進行單凹腔試驗時，采用凹腔堵塊將B1凹腔堵上。氣化煤油通過T1和B1凹腔上游的噴嘴I1和I2以聲速噴注進入燃燒室，噴嘴規格為3×Φ2.0 mm(噴孔數量×噴孔直徑)，安裝位置距凹腔前緣8 mm。試驗采用高能火花塞點燃的引導氫氣進行點火，火花塞和引導氫氣噴注孔的安裝位置如圖2所示。試驗用氣化RP-3溫度約為780 K，采用自行研制的煤油加熱器[7,26,28]制備，該溫度下RP-3可以直接以氣態進入燃燒室而不經歷相變過程，同時熱裂解很弱，可以忽略。

圖2　超燃沖壓發動機模型燃燒室示意圖Fig.2　Schematic of scramjet model combustor

圖3　凹腔結構示意圖Fig.3　Schematic of cavity structure

2結果與討論

2.1火焰分布

通過調節RP-3的流量，在當量比φ約為0.68，0.85和1.06的條件下進行了單凹腔和并聯凹腔的燃燒試驗，圖4給出了不同試驗工況下典型的可見光圖像。總的來說，隨著當量比的增加，并聯凹腔和單凹腔的火焰亮度增加、火焰分布范圍擴大，這表明燃燒室內燃燒強度相應提高。但并聯凹腔和單凹腔的火焰分布特征以及其隨當量比的變化規律有顯著差別。采用并聯凹腔時，經噴嘴I1和I2噴注的燃料分別在T1和B1凹腔附近形成了穩定的火焰；三個當量比下，火焰均主要分布在凹腔附近，凹腔下游火焰十分微弱，說明燃燒主要發生在凹腔附近。采用單凹腔時，經噴嘴I1噴注的煤油在T1凹腔附近形成了穩定的火焰，而由噴嘴I2噴注的煤油的著火位置則與當量比有關，隨著當量比的提高，下壁面附近煤油的著火位置越來越靠近燃料噴注點。同時，單凹腔時的火焰分布更加分散，在凹腔下游仍然有明亮的火焰，這意味著燃燒室內的燃燒釋熱更分散。

圖4　不同試驗工況下的可見光圖像Fig.4　Visible light images under different tests

2.2釋熱分布

圖5給出了不同工況下的燃燒室壁面靜壓分布情況，壁面靜壓以燃燒室入口靜壓為基準進行了無量綱化，同樣給出了并聯凹腔無燃料噴注時的冷流靜壓作為參考。如圖5所示，單凹腔和并聯凹腔下，燃燒室壁面靜壓水平均隨當量比增加而迅速升高，標志著燃燒室內燃燒強度有相應提高。并聯凹腔時，三個當量比下燃燒室壁面靜壓均呈現出明顯的單峰分布特征，靜壓峰值位于T1凹腔后緣，在峰值前后靜壓水平分別急劇升高和降低。與并聯凹腔相比，相近當量比下單凹腔的靜壓分布更加平緩，其在凹腔附近更低而在凹腔下游更高。

圖5　不同試驗工況下的靜壓分布Fig.5　Static pressure distributions under different tests

圖6　不同試驗工況下的釋熱速率分布Fig.6　Heat release rate distributions under different tests

圖6給出了采用文獻[29]中的準一維分析方法計算得到的不同工況下燃燒效率沿流向的微分(dηc/dx)分布情況。dηc/dx作為單位長度內的釋熱率，其沿流向分布反映了燃燒室內的釋熱分布特征。該準一維分析方法基于單步化學反應和燃燒室壁面溫度恒定的假設，以燃燒室入口空氣參數、燃燒室面積變化和壁面靜壓分布作為輸入條件計算隔離段和燃燒室沿程的平均流動參數分布。Micka[29]采用該方法計算了雙模態沖壓發動機燃燒室內的流動參數分布，并指出該方法最大的不確定性來自于估算氣流向壁面傳熱的誤差。受此影響，采用計算得到的燃燒效率(ηc)的絕對值隨所假設的壁面溫度而變，但不同壁面溫度下dηc/dx分布曲線具有相同的形狀。由圖6可以看出，釋熱分布對凹腔布置方案和當量比十分敏感。采用并聯凹腔時，不同當量比下的釋熱分布曲線具有明顯的單峰分布特征，峰值位于凹腔附近且隨當量比增加而升高，這表明釋熱主要集中在凹腔附近。采用單凹腔時，釋熱分布特征隨當量比而變，φ=0.68和φ=0.85時，凹腔附近的釋熱分布較弱，在遠離凹腔的下游位置釋熱率有顯著增大，這表明燃料的釋熱分散且主要發生在遠離噴注點的下游；φ=1.06時，釋熱分布主要集中在凹腔附近，但在凹腔下游仍然有明顯的釋熱。

2.3發動機燃燒性能

圖7給出了不同試驗工況下的推力增益和燃料比沖。可以看到，當量比對推力增益和燃料比沖的影響與凹腔布置方案有關。在試驗當量比范圍內，并聯凹腔下燃料比沖對當量比不敏感，但單凹腔下燃料比沖隨當量比增加而迅速提高，使得單凹腔下推力增益隨當量比增加的升高幅度更大，這表明單凹腔下燃燒室性能對當量比更敏感。

圖7　不同試驗工況下的推力增益與比沖Fig.7　Thrust augmentation and specific impulse under different tests

凹腔布置方案對氣化煤油燃燒特性有重大影響是因為其改變了燃燒室內的火焰穩定位置，進而影響了釋熱分布和燃燒室性能。單凹腔時，火焰穩定位置、釋熱分布和發動機燃燒性能對當量比變化很敏感，這是燃燒室內釋熱與流動強烈耦合的體現。一方面，隨著當量比的增加，燃燒室內的絕對釋熱量增加，升高的燃燒反壓在燃燒區前形成了更強的預燃激波串，使得來流的平均流速降低、靜溫升高，從而為煤油與空氣的混合和反應創造了更有利的流動條件；另一方面，流動條件的改善縮短了下壁面附近煤油與空氣的混合與著火距離，使得下壁面附近火焰能穩定在更靠近上游的位置，這有利于煤油的釋熱。簡而言之，良好的流動環境促進了燃燒室內的燃燒釋熱過程，而釋熱量的增加又使得流動條件向更有利于該區域燃燒釋熱的方向發展。

可見，火焰穩定器的布置方案和工況參數對發動機燃燒特性有重大影響，其作用機制與超燃沖壓發動機燃燒室內釋熱與流動強烈耦合有關，這一點在發動機設計和性能優化過程中必須充分考慮。

3結論

模擬飛行馬赫數6.0的來流條件，采用單邊擴張型超燃模型燃燒室和直連式試驗臺，在不同當量比下對比研究了氣化煤油在單凹腔和并聯凹腔燃燒室中的超聲速燃燒特性。得到如下結論：

1)凹腔布置方案對火焰穩定和釋熱分布有重大影響，并且這種影響隨當量比而變；不同凹腔布置方案下，推力增益和燃料比沖隨當量比的變化規律也不相同。

2)采用并聯凹腔時，火焰分布和燃燒釋熱主要集中在凹腔附近，燃料比沖對當量比不敏感。

3)采用單凹腔時，火焰和釋熱分布在流動方向上更加分散；隨著當量比的增加，下壁面附近的火焰穩定位置離燃料噴注點更近、燃燒室內的釋熱分布更靠近上游、燃料比沖升高。

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doi:10.11887/j.cn.201602001

*收稿日期：2015-01-30

基金項目：國家自然科學基金資助項目(91016028,11142010)；全國優秀博士學位論文作者專項資金資助項目(201257)

作者簡介：鐘戰(1983—)，男，安徽阜陽人，博士研究生，E-mail：zhongzhan_nudt@163.com;王振國(通信作者)，男，教授，博士，博士生導師，E-mail：wangzg_nudt@163.com

中圖分類號：V435.12

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)02-001-05

Effects of cavity arrangement on characteristics of supersonic combustion of vaporized kerosene

ZHONG Zhan1,2, WANG Zhenguo1,2, SUN Mingbo1,2

(1. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2. Science and Technology on Scramjet Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：Considering the two different cavity arrangement schemes, a series of direct-connected combustion tests were conducted with vaporized RP-3 under the simulated Mach 6.0 flight condition. Effects of cavity arrangement on characteristics of supersonic combustion of vaporized kerosene were investigated by comparing with the high-speed flame luminosity images, static pressure distributions along the combustor wall, and the thrust increments. The results show that the cavity arrangement and equivalence ratios affect the flame distribution, the heat release characteristic and the combustor performance significantly. For the parallel-cavity-equipped combustor, the flame distribution and heat release are concentrated near cavities, and the fuel specific impulse shows low sensitivity to the equivalence ratio. While the single-cavity-equipped combustor has a dispersive flame distribution and heat release, and the fuel specific impulse increases with the equivalence ratio.

Key words：scramjet engine; vaporized kerosene; cavity; equivalence ratio; combustion characteristic

http://journal.nudt.edu.cn