超声速气流中火焰传播过程的实验及数值模拟研究

超声速气流中火焰传播过程的实验及数值模拟研究本文以超燃烧冲压发动机内气体流动、混合与燃烧为研究背景,结合实验研究、数值仿真与理论分析对超燃压发动机内出现的逆流火焰加速现象进行了较为系统与深入的研究。首先,本文以理论建模、数值仿真为主要手段研究了带格栅管道中的火焰加速现象,与实验对比验证了理论模型的有效性。文中采用详细化学反应机理研究了不同当量比条件下火焰加速过程,仿真结果表明在恰当当量比条件下,数值计算得到的火焰加速率与理论符合的最好,在当量比小于恰当当量比条件时,数值计算火焰加速率与理论值存在着较大的差异。本文进一步考虑了格栅构型对火焰加速的影响,当格栅厚度小于格栅间距时,格栅增强湍流作用比射流有效体积减小更占据主导,使得火焰加速率相比无限薄构型更大。而随着格栅厚度继续增加,格栅体积之间减小的作用重新占据主导,火焰加速率迅速下降。其次,为了分析产生火焰过程之前燃料混合状态,本文通过数值仿真揭示了不同喷注位置与不同来流条件下凹腔上游横向喷注流动混合特性。从结果可以看出,在相同湍流边界层的作用下,与近凹腔两路喷注、远近凹腔两路喷注对比,两路远凹腔喷注的混合效率最高。在凹腔前缘之前,当入口同样为湍流边界层时,增加入口湍流边界层厚度时,湍流的作用更为明显,混合效率提高。接着本文在等截面超燃冲压发动机燃烧室内,利用高速摄影、高速纹影及高频压力传感器等观测手段对不同喷注位置的燃烧现象进行了研究。在远凹腔喷注位置的实验中观测到了周期性火焰逆传现象,研究结果表明火焰前锋振荡主频约为95Hz,火焰锋面振荡主频与压力振荡主频非常接近的,这说明以火焰逆传与吹脱过程为特征的火焰周期性振荡主导了燃烧室内的压力振荡。进一步通过数值仿真揭示了不同化学反应机理对超声速火焰逆传的影响,研究结果表明产生火焰振荡的条件与化学反应机理是相关的,更强的化学反应机理得到的燃烧振荡频率要大于实验观测的振荡主频。以来流边界层为影响因素的数值仿真结果表明,入口边界层为层流时,燃烧室内表现为由凹腔稳定的火焰,当采用湍流入口边界层条件时,凹腔下游火焰实现了增长并逆流传播。在采用相同湍流入口边界层条件时,增加湍流边界层厚度能够使得火焰更早的发生逆传。以来流总温为影响因素的数值仿真结果表明,当采用低总温入口时火焰无法产生逆传现象。当在高总温来流条件下,在凹腔下游能量积聚产生逆传火焰的初始过程中,来流温度的影响占据更主导的地位,提高总温能使凹腔下游火焰更早地产生逆传。在等截面双凹腔燃烧室内,在远凹腔喷注实验中同样观察到了准周期性火焰逆传现象。研究结果表明压力振荡主频并不明显,但仍可以认为是以火焰逆传与吹脱过程为特征的火焰周期性振荡主导了燃烧室内的压力振荡。进一步通过数值仿真研究了等截面双凹腔燃烧室远距离喷注的火焰逆传现象,双凹腔的火焰逆传与单凹腔情况下略有不同,数值仿真结果表明双凹腔条件下的火焰在凹腔上游观测到非对称性传播过程。最后,本文分析了火焰逆传过程中燃烧模式变化。计算结果表明在凹腔下游火焰不断积累增强的时刻,凹腔及下游的火焰保持为富燃预混燃烧模式,随着火焰逆向传播,火焰前锋仍保持着富燃烧预混燃烧模式,而紧随其后靠近流道中间剪切层的燃烧则迅速转变为扩散燃烧模式。针对火焰逆传中的部分预混燃烧现象,本文改进了超声速部分预混燃烧G/Z方程模型并进行了验证