支板凹腔组合构型对燃烧室流场的影响

支板凹腔组合构型对燃烧室流场的影响

1支板/凹腔组合稳定器发展现状支板和凹腔是超燃压汽油灶中使用最广泛的两种火灾稳定方法。根据研究，支板可以直接将燃料放入电池中，以实现燃料在燃烧中的均匀分布。同时，它流入支板后，形成一个低速回流区，可以发挥火焰的稳定作用。凹腔火焰的稳定性可以很好地实现。当气流通过凹腔时，凹腔中形成一个低速回波区。该区域火焰稳定性强，内火焰可用作燃烧中的固定水源。近年来,随着对单支板以及凹腔认识的更加深入,很多研究机构开始对多支板组合以及支板/凹腔组合构型进行研究[1~8]。美国HsuKY等对超声速流场中支板和凹腔三种组合构型的火焰传播以及点火性能进行了对比研究,并且研究了不同燃料喷射方式对燃烧性能的影响。国防科学技术大学赵延辉从支板流动的基础研究出发,将凹腔-水平支板燃烧室、凹腔-竖直支板燃烧室与单凹腔燃烧室流动特性进行了对比,并结合高背压条件下燃烧室流动特性,分析了凹腔支板组合火焰稳定器在燃烧室流动特性中的表现。中国航天科工集团三十一研究所采用直连试验手段,比较了不同燃料喷注方式和不同支板凹槽组合方式对燃烧室点火、稳定燃烧的影响,其结果表明支板喷射与支板凹槽组合稳焰的燃烧组织方式,可以实现在低飞行马赫数范围(Ma0=4~5)液体碳氢燃料的可靠点火与稳定燃烧,并获得较好的燃烧性能。中国科学院力学研究所陈立红、张新宇等也对凹腔支板一体化火焰稳定器进行了大量研究,得出了许多具有工程指导意义的结论。研究结果表明,支板/凹腔组合火焰稳定方式集合了支板可将燃料带入主流中心和凹腔稳焰性能好的优点,可以最大程度的提高稳焰能力,因此该组合构型成为了目前研究发展的一个重要方向。本文通过数值模拟,对双支板结合凹腔的组合构型进行了研究,重点分析了不同组合构型对煤油燃烧性能以及凹腔质量交换特性的影响。2物理模型和计算方法2.1支板与燃料喷注方式本文研究基于北京航空航天大学直连式超燃冲压发动机试验台模型,图1为燃烧室构型及支板/凹腔四种组合方式示意图。燃烧室全长1800mm,入口截面尺寸100mm×60mm,内型面为单侧扩张结构,各段扩张角度不同,宽度不变(均为100mm)。燃烧室中两块支板十字交叉布置并分别布置煤油喷孔进行燃料喷注,上游支板具有三排燃料喷孔,下游支板具有两排燃料喷孔,喷孔直径为0.4mm,本文研究中上下游支板均采用第一排喷孔进行燃料喷注。下游支板同凹腔共有四种组合方式,其中一种支板相比另一种支板增加了三角形后缘结构,各组合方式中上凹腔始终保持不变,下凹腔可更换为平面结构。2.2网格划分和求解本文计算采用商业软件Fluent进行模拟,网格划分采用Gambit软件进行处理。由于燃烧室为对称结构,因此为了节约计算资源沿对称面取燃烧室一半区域为计算域。网格划分采用了分块结构化网格方法,把计算域分为若干区域,对不同区域网格采用不同疏密处理,对流动梯度大的地方,如出现激波的区域采用更密的网格以提高计算的精度,对壁面附近网格采取等比加密处理,附面层共18层,第一层尺寸为0.005mm,增长率为1.3,网格总数为300万。图2为计算域及局部网格示图。计算中采用有限体积法求解雷诺平均N-S方程,连续、动量、能量方程采用二阶迎风格式离散;湍流模型为SSTk-ω湍流模型;应用离散项模型模拟煤油液滴的雾化、蒸发过程;同时采用基于组分输运的有限速率/涡耗散模型模拟煤油的燃烧,反应机理为单步总包化学反应;计算选择分离求解器求解。边界条件设置为:燃烧室入口为质量入口,各工况参数如表1所示,其中Maf为模拟飞行马赫数,Mac为燃烧室入口马赫数,Ms为燃烧室入口质量流率,ps为燃烧室入口静压,Tt为燃烧室入口总温,ue788为煤油当量比;出口为外推压力出口;煤油喷嘴入口定义为直径为0.4mm的煤油液面;壁面采用无滑移壁面条件,并满足绝热和零压力梯度条件。图3为Case1工况下a构型燃烧室侧壁面和下壁面的y+分布,从图中可以看出壁面y+均小于4,满足选用SSTk-ω湍流模型时对壁面y+的要求,说明网格划分和计算是有效的。3计算与分析3.1支板内部流场变化本节对表1中的三种工况进行了计算,得到了燃烧流场分布。图4为Case1工况下a构型对称面上马赫数及温度分布,由图可见,上游支板处于超声速区域内,并且存在不断反射的波系结构,上下游支板后部及凹腔内部为低速回流区,燃烧火焰也主要集中在该区域内。对三种工况计算结果分析后发现均存在上述规律,并且在相同来流工况下,各构型上游支板附近流场结构十分相似。图5为上游支板附近压力云图,当超声速来流流经上游支板前缘时,受到支板的压缩作用在支板两侧各形成一道斜激波,当气流流经支板劈尖末端时相当于气流绕凸角流动,因此形成一道膨胀波,之后斜激波和膨胀波发生相互作用的同时在支板和燃烧室壁面之间发生多次反射,最后进入支板后部亚声速区。图8(a),(b),(c)分别为Case1工况下a构型上下游支板及b构型下游支板处煤油液滴的分布。由图可见,煤油从上游支板第一排喷孔喷出以后迅速破碎,形成大量煤油液滴,并且运动方向由喷出时垂直于流向方向迅速转变为顺流方向,煤油穿透深度较低,随着沿流向的运动液滴逐渐破碎蒸发实现二次雾化,当液滴达到上游支板后部低速回流区时基本完成雾化、蒸发过程;对于下游支板,煤油从喷孔喷出后运动方向仍然很快由垂直于流向方向转变为顺流方向,并且液滴破碎实现二次雾化,但是两种支板构型煤油液滴雾化蒸发距离均较短,并且穿透深度相对较深,煤油雾化蒸发过程受构型影响较小。其余工况计算结果与上述结论相似,结合图4中流场马赫数及温度分布可知,上游支板处于高速低温环境,因此其雾化蒸发距离较长,煤油穿透深度较低;而下游支板处于低速高温环境,燃烧区域的高温燃气促进了煤油的雾化蒸发过程,因此其雾化距离较短,并且煤油穿透深度更深。为了定量分析流场计算结果,统计了燃烧室总压恢复系数和煤油燃烧效率两项参数,定义如下:总压恢复系数燃烧效率式中分别为燃烧室中剩余的煤油质量流量和煤油的总流量。表2为三种工况下四种组合构型燃烧室燃烧效率与总压恢复系数计算结果,结果表明:(1)三种来流工况下四种组合构型燃烧效率均存在a<b<ad<bd的规律,采用带后缘支板构型时比采用普通支板构型煤油燃烧效率提高2.8%~5.8%,采用双凹腔构型时比采用单凹腔构型时煤油燃烧效率提高4.5%~8.8%;(2)相同来流工况下,各构型总压恢复系数相近,当增大来流马赫数时总压恢复系数随之下降。图9展示了Case1工况下支板/凹腔的四种组合构型燃烧室下游流场马赫数及温度分布,由图可见,气流流经下游支板后,在支板后部及凹腔内部形成了较大的亚声速回流区,燃烧区域也主要分布在该区域内。对于双凹腔构型,比单凹腔构型增加了一个火焰稳定器,扩大了燃烧室低速回流区及燃烧区域面积,因此其燃烧效率更高;带后缘支板的使用在沿流向方向扩大了主流中心的低速回流区面积,增加了火焰在主流中心的分布,因此其火焰稳定性能也更明显。3.2凹腔质量衰减曲线为了进一步分析支板/凹腔组合构型的性能,本节对Case1工况下四种组合构型上凹腔的质量交换特性进行了研究。质量交换率6)m指单位时间内主流流体被卷吸进入凹腔内的质量,驻留时间τ是指上述被卷吸进入凹腔内的主流流体在凹腔内的停留时间,两者成显函数关系:,m为凹腔内流体的总质量,上式也可写成另一形式:。凹腔的质量交换率、驻留时间作为确定凹腔性能的重要参数近年来受到持续关注[10~16]。由于缺乏对凹腔质量交换率和驻留时间的测量手段,目前对它们的研究都是通过建模分析和数值模拟方法实现的。Davis等推导出了针对垂直后壁凹腔的驻留时间估算公式,但对凹腔剪切层发展的建模过于粗略;Baurle等计算了主流马赫数为2.92的几种凹腔的驻留时间。本节计算参考了Baurle及汪洪波、孙明波等的计算方法,计算中为了获得凹腔的质量交换率,首先通过稳态计算得到凹腔的定常流动图像,然后将凹腔中的气体标记成另一种组分,之后改用非稳态计算,并观察该时刻以后该组分的非定常流动过程,直到其全部流出凹腔为止。在该过程中可监视该组分的质量变化,得到该组分随时间的质量衰减曲线,最后对质量衰减曲线采用指数函数m(t)≈exp(-t/τ)拟合可得到驻留时间τ。为了保证凹腔内标记的物质和主流气体性质相当,将主流气体设置为由氮气、氧气、二氧化碳、水按照在实际空气中的比例组成的混合气,凹腔内的气体标记成空气。图10为四种组合构型上凹腔内空气的质量衰减变化图,同一构型包含的4幅图从左至右、从上至下对应的时刻分别为t0,t0+0.5ms,t0+1.0ms,t0+1.5ms,t0是令凹腔内组分为空气的时刻。可以看出由于支板后回流区的作用,凹腔内空气迅速向支板后部主流区扩散,后随着主流的运动逐渐消失。图11为监视的四种构型空气质量衰减曲线,本文采用了Baurle的计算方法,对质量衰减曲线进行了指数函数拟合并计算驻留时间。由于任何一条衰减曲线都不能找到一条近似的指数衰减曲线完全拟合,因此文中采用了Baurle凹腔驻留时间的另一种计算方法,即采用两段指数衰减曲线进行最小方差拟合,平均驻留时间取两段驻留时间的加权平均,权值取拟合时间区域相对于整个时间区域的分数。图12为四条曲线的拟合结果,可以看出拟合结果与原曲线重合度很高,拟合效果较好。表3给出了计算得到的凹腔驻留时间,结合图11中各构型质量衰减曲线对比可以看出支板是否带后缘对凹腔质量交换速率影响较大,带后缘的支板构型(b,bd构型)质量衰减速度明显大于普通支板构型(a,ad构型),其凹腔驻留时间较短;对于同一支板构型组合不同凹腔结构时(a和ad构型,b和bd构型),其质量衰减速率相差不大,说明在同一燃烧室中当两个相对布置的凹腔,其中一个凹腔对其对面凹腔的质量交换特性影响较小,两种构型凹腔驻留时间相差不大。结合燃烧室燃烧流场计算结果以及凹腔质量交换律特性计算结果分析认为:与使用单凹腔构型相比,尽管使用双凹腔构型时上凹腔与主流的质量交换速率变化不大,但是下凹腔的应用,比单凹腔构型增加了一个火焰稳定器,扩大了燃烧室低速回流区及燃烧区域面积,从而提高了燃烧室燃烧效率;带后缘支板的使用相比普通支板一方面增加了主流与凹腔的质量交换速率,从而加速了煤油进入凹腔的速度,提高了燃烧效率,另一方面支板后缘在主流中心区形成了更大的低速回流区,该区域也促进了煤油的燃烧,因此提高了燃烧室的整体燃烧效率。4带后果支板与单凹腔组合型燃油燃烧模态对比见表3本文以直连式双支板构型超燃燃烧室为计算模型,对不同支板和凹腔的组合构型稳焰性能进行了计算研究,重点分析了不同组合构型对燃烧室燃烧流场以及凹腔质量交换特性的影响,得到以下结论:(1)上游支板处于超声速区域内,并且存在不断反射的波系结构,对于同一来流工况,四种支板/凹腔组合构型的上游支板附近流场十分相似;上下游支板后部及凹腔内部为低速回流区,燃烧火焰也主要集中在该区域内。(2)上游支板处于高速低温环境,煤油液滴雾化蒸发距离较长,穿透深度较小;下游支板处于低速高温环境,煤油雾化蒸发距离较短,穿透深度较大。(3)与使用单凹腔构型相比,尽管使用双凹腔构型时对上凹腔与主流的质量交换速率影响较小,但是下凹腔的应用,比单凹腔构型增加了一个火焰稳定器,扩大了燃烧室低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高了4.5%~8.8%。(4)带后缘支板相比普通支板不仅能够提高主流与凹腔的质量交换律,并且能够扩大支板后部低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高2.8%~5.8%。(5)在相同来流工况下,不同支板/凹腔组合构型燃烧室的总压恢复系数相近,随着来流马赫数增大总压恢复系数随之下降。图6为Case1工况下对a构型燃烧室沿流向取质量平均马赫数及化学反应