超声速流条件下凹腔火焰稳定器回流区稳垒机制研究

超声速流条件下凹腔火焰稳定器回流区稳垒机制研究

1凹腔火焰稳定器的建立与稳火焰机制的关系高超速压裂发动机是实现高超速飞行最理想的推进动力。在高超声速冲压发动机的超声速燃烧室中,气流在燃烧室内的停留时间非常短(ms级),要在这样短的时间完成燃料与气流的混合、燃烧反应,增加了燃料喷射、点火与火焰稳定的困难。为了实现超声速气流中的燃烧,通常需要采取一定的火焰稳定措施。利用主动或被动的方式在流场中形成环流和低速流区是高速气流中普遍应用的稳定火焰措施。其中,通过形成低速回流区实现火焰稳定的凹腔火焰稳定器,以结构简单和效果明显受到了普遍关注。俄罗斯航空发动机中央研究院(CIAM)在对高超声速冲压发动机模型进行马赫数为6,总温为1500K的自由射流实验中,首次成功地把凹腔火焰稳定器作为稳焰手段;并应用在双模态高超声速冲压发动机的飞行试验当中。虽然针对凹腔火焰稳定器的试验与数值研究已取得了很大进展,但针对凹腔火焰稳定器如何利用回流区在超声速流中实现稳焰的理论研究则较少。关于超声速流中利用回流区稳定火焰的机制,目前尚未有统一完整的理论。张松寿的书中给出了两种关于回流区稳焰机制的观点。一种称为回流区燃烧机制的观点认为由于回流区具有强烈的混合作用,可将其看作一个反应器,回流区内进行着较强烈的燃烧反应,燃烧后的高温燃烧产物所携带的热量和化学活性物质通过对流与扩散传输给新鲜混气,使之预热并着火燃烧。另一种称为回流区点燃机制的观点认为,回流区内没有强烈的化学反应,其中仅充满着几乎完全燃烧的高温燃烧产物,这些高温燃烧产物将通过湍流扩散作用将热量传入新鲜混气,这样高温回流区便起到一个连续点火源的作用,它加热并点燃了回流区附近流过的新鲜混气。实验研究表明,两种回流区稳焰机制都有可能在凹腔火焰稳定器的回流区中存在。Ben-Yakar在Ma=3.4的来流条件下,以氢气为燃料研究了凹腔火焰稳定器的稳焰情况,发现凹腔回流区内始终存在燃烧现象,表明起主导作用的稳焰机制是回流区燃烧机制;而Jeong等在Ma=3.79的来流条件下,采用同样的凹腔火焰稳定器构型与氢气喷注方式,却发现燃烧主要在凹腔剪切层内进行,凹腔回流区内几乎看不到燃烧,表明起主导作用的稳焰机制是回流区点燃机制。孙明波等认为在低总焓来流的凹腔火焰稳定器回流区中可能存在两种主要稳焰机制:一种是回流区点燃机制;另一种是三层火焰(Tripleflame)稳焰机制,认为凹腔内部的低速高温回流区使得在凹腔剪切层以及凹腔内部形成稳定的部分预混火焰前锋,火焰前锋下游的扩散火焰穿过凹腔剪切层向主流扩展,最终实现稳焰。本研究中借助凹腔火焰稳定器模型的数值计算结果,对高总焓来流条件下凹腔火焰稳定器回流区中存在的稳焰机制进行了研究。2研究方法本研究中,选择了两种类型的火焰稳定器进行了对比研究。凹腔火焰稳定器:计算域长250mm,高68mm,上壁面为平直表面,下壁面为凹腔结构。凹腔长110mm,深11mm。详细几何结构参见图1(a)。计算域中设置了一个煤油(C12H23)加注点,加注点流量为0.12kg/s,加注点在凹腔正上方,距下壁面2mm。凹腔凸台火焰稳定器计算域长250mm,高68mm,上壁面为凸台结构,下壁面为凹腔结构。凹腔长110mm,深11mm。凸台长30mm,高5mm,凸台后端与凹腔前端的水平距离为15mm。详细几何结构参见图1(b)。计算域中设置一个煤油(C12H23)加注点,加注点流量为0.12kg/s,加注点位于凹腔前方水平距离25mm处,加注点距下壁面32mm。计算采用Fluent软件的二维数值计算方法,模拟了液态煤油燃料注入超声速流场的整个过程。液态煤油的雾化及气化过程,采用的是弥散相模型模拟。将主流气体视为连续相,而将散布其中的液滴视为弥散相。连续相采用求解NS方程的方法计算,湍流模式选用标准k-ε模式,弥散相的计算则采用拉格朗日观点针对每个粒子进行。化学反应过程采用NS方程组结合多组分输运方程和一级有限速率化学反应模型模拟。3稳火焰机制本研究的计算结果表明,高总焓来流条件下凹腔火焰稳定器回流区中至少存在着三种稳焰机制:回流区燃烧机制、回流区点燃机制、和回流区整流机制(一种通过调整主流流场,建立适合燃烧的流场条件,进而实现稳定燃烧的稳焰机制),且三种稳焰机制均有可能成为凹腔火焰稳定器回流区中的主导稳焰机制。3.1凹腔火焰稳定器回流区具有强烈的混合作用,可将其看作一个均匀反应器,回流区内进行着较强烈的燃烧反应,燃烧后的高温燃烧产物所携带的热量和化学活性物质通过对流与扩散传输给新鲜混气,使之预热并着火燃烧。图2给出了该机制占主导地位时形成的燃烧流场结构,这是利用凹腔内部回流区的混合特性实现稳焰。图2算例中采用的是图1(a)的凹腔火焰稳定器。计算域左右两侧边界分别取超声速入口及超声速外插出口边界,上下边界取无滑移绝热壁面条件。入口气流参数为:马赫数2、总温1650K、总压1.25MPa。图2中给出的是注入煤油0.5ms后的流场结构云图。图2(a)的组分云图表明燃料进入了凹腔回流区内部;图2(b)的反应率和图2(c)的静温云图则表明,凹腔内部出现了比较强烈的燃烧现象,静温得到明显提升。这些现象表明回流区燃烧机制为该燃烧流场的主导稳焰机制。在本研究的计算中,图2的流场仅在煤油注入的早期阶段出现,在该阶段燃料与空气的混气能够进入凹腔回流区内部,回流区燃烧机制可以发挥作用。但随着燃烧释热的增加,回流区开始增大,燃料与空气的混气逐渐远离凹腔。进入回流区的燃料变少,使回流区的混合能力难以发挥,最终流场的稳焰机制过渡为回流区点燃机制,见图3。因此,利用回流区燃烧机制稳焰的一个关键问题便是如何使新鲜混气进入凹腔回流区。3.2凹腔内部的稳火焰机制回流区依靠剪切层与主流区之间交换物质与能量。在超声速流动中,随着对流马赫数的增加,压缩效应逐渐增强,剪切层的混合效果会不断减弱。当凹腔上游的来流是比较稳定的超声速流时,剪切层的混合效果将会大大削弱,凹腔内外的物质与能量交换只能依靠层流或者湍流扩散完成,这将使凹腔内部没有足够的新鲜混气进行强烈的化学反应。同时由扩散作用传进来的新鲜混气通过缓慢化学反应释放的热量又很难传递出去,最终导致整个回流区成为一个高温的固定火源。由于是依靠扩散作用,回流区与主流区的物质与能量交换会随着主流马赫数的增加(压缩效应逐渐增强)不断变弱,该机制的稳焰能力随主流马赫数的增加而变弱。图3给出了该机制占主导地位时形成的燃烧流场结构,这是利用凹腔内部回流区的高温特性实现稳焰。图3算例中采用的计算条件与图2一致,图2给出的是燃烧形成初期的流场结构云图,而图3中给出的是燃烧稳定后的流场结构云图。图3(a)的组分云图则表明燃料向远离凹腔的方向运动,凹腔回流区内部缺乏新鲜燃料混气;图3(b)的反应率和图3(c)的静温云图表明,化学反应集中在剪切层区域,凹腔内部基本没有化学反应。这些现象表明回流区点燃机制为该燃烧流场的主导稳焰机制。3.3凹腔火焰稳定器模拟当流场中出现回流区时,由于回流区的阻流作用,主流的有效流通面积便会变小。由于超声速流动的性质,流通面积变小,马赫数会下降,静温会上升,在超声速流场中,这一过程中往往还会伴随着激波的产生,而激波会使静温进一步上升。于是,通过改变回流区的大小,便可以达到使新鲜混气静温上升,进而实现点火燃烧的目的,这便是回流区整流机制。与前面两种稳焰机制不同,该种机制不是依靠混合扩散点燃预混气体,受压缩效应的影响较小,更适合于超声速流中组织燃烧。当主流的流动参数满足合适要求时,喷入主流的燃料便可实现稳定燃烧。在该机制中,燃料不进入回流区,回流区起的作用是调整主流流场,建立适合燃烧的流场条件,进而达到稳定燃烧的目的。图4给出了该机制占主导地位时形成的燃烧流场结构。图4算例中采用的是图1(b)的凹腔凸台火焰稳定器。计算域左右两侧边界分别取超声速入口及超声速外插出口边界,上下边界取无滑移绝热壁面条件。入口气流参数为:马赫数2.5,总温1650K,总压1.25MPa。图4为当前凹腔凸台火焰稳定器中煤油加注及燃烧过程的计算结果。结果表明由位于中心的煤油加注点喷入主流的燃料在没有与回流区接触的情况下实现了稳定燃烧。图4(a)的马赫数云图及图4(b)的静温云图给出了注入燃料前的初始流场结构。图中显示除了在凸台及凹腔角落处形成的回流区,在凹腔出口位置的上壁面,还出现了一个由于激波-边界层干扰导致边界层分离形成的回流区。该分离区使得流道流通面积变窄,流道的马赫数下降。同时在凹腔后端,分离区诱发的激波以及凹腔与凸台诱发的多道激波交汇,交汇点处形成了局部正激波,激波后的高温高压环境成为一个很好的点火源。图4(c)与图4(d)为注入燃料0.1ms后的流场云图。图4(c)表明在燃料到达凹腔后端的激波交汇点后,燃料实现了点火燃烧。图4(d)表明燃料没有与回流区接触。图4(e)与图4(f)为注入燃料0.15ms后的流场云图。图4(e)表明在该段时间内燃烧区面积开始变大,位置稳定在激波交汇点附近没有发生很大变化,正激波向上游移动。图4(f)表明燃料没有与回流区接触。图4(g)与图4(h)为注入燃料0.25ms后的流场云图。图4(g)表明燃烧区已经开始向上下游发展。这主要是由于燃烧产生的压力影响开始传入回流区。由于回流区是一个马赫数很低的流动区域,因此传入回流区中的压力将会很快传遍整个回流区。燃烧后产生的高压能通过回流区迅速传到燃烧区上游。由于回流区内压力高于主流压力,于是回流区变大,主流流通面积变小。燃烧区上游的静温升高,马赫数变小。于是燃烧后产生的影响能够避开来流超声速的限制,通过回流区传到燃烧区上游,使得上游的来流条件更适合燃烧,燃烧区得以向上游推进。图4(h)表明燃料没有与回流区接触。图4(i)与图4(j)为燃烧稳定后的流场云图。图4(i)表明上壁面处由激波边界层干扰产生的回流区已经扩展到了凸台后部。借助于回流区对于主流流动的调整,燃烧区得以在凹腔上游实现稳定。图4(j)则表明燃料始终没有与回流区接触。图4表明燃料未接触回流区便能实现稳焰燃烧,这是回流区点燃机制和回流区燃烧机制无法解释的。因而,回流区整流机制与之前提到的两种稳焰机制是完全不同的。4稳理解机理:三种稳火焰机制的比较本文的分析表明,高焓来流条件下回流区中至少存在着三种稳焰机制:回流区燃烧机制、回流区点燃机制和回流区整流机制,且三种稳焰机制均有可能成为凹腔火焰稳定器回流区中的主导稳焰机制。三种稳焰机制利用了高焓来流条件下回流区的不同特性:回