支板-凹腔组合结构对煤油混合的数值分析*

王宏宇,高　峰,王应洋

(空军工程大学防空反导学院,西安　710051)

支板-凹腔组合结构对煤油混合的数值分析*

王宏宇,高峰,王应洋

(空军工程大学防空反导学院,西安710051)

摘要:为研究超声速燃烧室的混合特性,采用离散相模型对带有支板-凹腔组合结构的煤油超燃冲压发动机燃烧室进行了数值模拟,分析了凹腔长深比和凹腔后缘倾角变化对煤油混合特性的影响。计算结果表明,大长深比的凹腔构型增大了燃料的穿透深度,拓宽了煤油与空气的接触面积,从而使混合效率增加。后缘倾角为30°的凹腔较后缘倾角为45°的凹腔更容易卷吸主流中的燃料,增加燃料与凹腔内气体的质量交换。

关键词:超声速燃烧室;支板-凹腔火焰稳定器;混合效率;数值模拟

0引言

超燃冲压发动机可作为高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器以及可重复使用空间发射器和单级入轨空天飞机的动力装置[1]。燃烧室是超燃冲压发动机的重要组成部分。对于燃烧室的设计,必须要保证燃料在有限空间、极短时间内,在复杂流动状态下完成掺混、燃烧等物理化学变化使燃烧室正常工作并且性能损失小[2-3]。对于液态煤油燃料来讲,由于其点火延迟时间长,与空气混合时要经历雾化、蒸发等过程更加大了其掺混和点火的难度,所以有必要对煤油的掺混特性进行分析。大量研究表明,支板可直接将燃料平行喷入主流,提高了燃料的穿透深度且可促进混合;凹腔可提供活化自由基和回流区,有助于点火和火焰稳定且阻力小[4-6]。基于以上考虑,近些年来,对支板和凹腔组合构型的燃烧室也展开了研究[7-9],但对支板-凹腔组合结构对煤油的掺混特性影响的研究还很少。文中通过改变凹腔的长深比和后缘倾角,分析了其对煤油掺混特性的影响。

1计算模型及数值方法

1.1　计算模型

计算模型为北京航空航天大学直连式试车台的超燃冲压发动机燃烧室局部模型,文中将模型燃烧室下游支板和凹腔部分进行简化处理,其结构示意图及尺寸如图1所示。模型总尺寸为800 mm×100 mm×90 mm,上壁面扩张角为3.43°。支板尾端与凹腔上沿平齐,与燃烧室入口同高,侧壁面均布置9个煤油喷孔,直径为0.4 mm。

图1　燃烧室局部结构简图及支板几何尺寸(单位:mm)

1.2　网格划分及边界条件

用Gambit软件将计算模型划分为分块的结构化网格,第一层网格到壁面的距离为5×10-4mm,将y+值控制在0~50之间。在燃烧室及支板凹腔壁面、凹腔剪切层及流动参数梯度大的地方做加密处理,网格总数约为120万。图3给出了燃烧室侧壁面、下壁面和x=0.25和x=0.35截面上的网格。

图2　部分计算网格

采用SSTk-ω模型封闭方程组,求解三维可压缩雷诺平均N-S方程。空气入口采用压力入口边界条件,出口为超声速出口,壁面为绝热无滑移边界条件。在拉格朗日坐标系下模拟煤油的流动,假设煤油为0.4 mm的均匀液滴,采用Wave模型模拟其雾化蒸发过程,煤油与主流空气参数进行耦合计算。空气及煤油的入口参数如表1所示。通过改变凹腔长深比及后缘倾角,文中对6个算例进行计算,如表2所示。

表1　空气及喷孔入口参数

表2　算例标记

2计算结果及分析

2.1　相关参数定义

1)混合效率ηm可用下式定义:

(1)

(2)

2)总压恢复系数

总压恢复系数σ用下式定义:

(3)

2.2　支板-凹腔组合煤油混合特性分析

由图3可知,支板尾端产生旋涡,旋涡可增加燃料的驻留时间,同时可增强煤油与空气的混合,流线螺旋式地流向燃烧室上壁面,使燃料向上牵引。凹腔上沿附近产生回流区,说明凹腔对燃料有卷吸作用,产生旋涡,增强混合,同时增大了煤油在燃烧室中的驻留时间。支板与凹腔组合发挥了支板与凹腔的联合作用,更有利于燃料混合的加强。另一方面,凹腔产生的旋涡温度更高,可为煤油的点燃提供条件。燃烧室侧壁面与上壁面拐角处产生流向涡,也加强了混合效果。

图3　y=0.005截面流线和温度图

2.3　凹腔长深比和后缘倾角对煤油掺混的影响

图4给出了不同凹腔长深比x=0.3、x=0.5、x=0.7截面的煤油质量分数云图,由图4可见,煤油燃料主要集中在燃烧室纵向中心区域,凹腔可使煤油向展向扩散,增加了煤油的穿透深度。长深比为6的凹腔穿透深度较低;相比之下,长深比为9的凹腔使煤油更加向展向扩展,增大了煤油与空气的接触面积;长深比为12的凹腔使煤油的穿透深度最高,而且可使煤油更加集中于燃烧室中心,能够实现更好的混合。

图4　不同凹腔长深比煤油质量分数云图(x=0.3,x=0.5,x=0.7)

图5　对称截面煤油质量分数云图

图5给出了各个算例对称截面煤油的质量分数云图,x=0.2 mm位置为支板尾端位置。由图可知,后缘倾角为30°比后缘倾角为45°的凹腔内存在较多的煤油组分,说明较小的后缘倾角能够卷吸更多的燃料,增加气体与凹腔的质量交换,这对燃料的混合与点燃都是有利的。

图6和图7为各算例混合效率和总压恢复系数曲线,显示了凹腔不同长深比和后沿倾角的混合效果和总压损失。由图6可知混合效率沿x轴方向不断升高,大长深比的凹腔有较大的混合效率。凹腔长深比相同时,30°后缘倾角凹腔的混合效率略大于45°后缘倾角的凹腔,长深比为9时几乎相同。由图7可知,凹腔长深比为6时,总压恢复系数较高,在0.79~0.8之间,后缘倾角为45°时略大,但相差不大;凹腔长深比越大,总压恢复系数越小,但凹腔长深比为9和12时,总压恢复系数也近似相等,较长深比为6的凹腔下降约3.8%。可认为,大长深比的凹腔在增加混合效率的同时也带来一定的总压损失。

图6　混合效率曲线

图7　总压恢复系数

3结论

1)支板凹腔组合结构通过支板尾端、凹腔内的回流区、凹腔产生的流向涡及激波的共同作用来增加燃料与空气的混合。

2)文中算例中,大长深比的凹腔可增加煤油燃料的穿透深度,增加燃料与空气的混合效率,但总压损失较大。

3)文中算例中,后缘倾角为30°的凹腔较后缘倾角为45°的凹腔更容易卷吸主流中的气体,增加燃料与凹腔内气体的质量交换。

参考文献:

[1]孙有田, 罗春钦. 用于高超声速导弹的RBCC概念研究 [J]. 飞航导弹, 2007(8): 44-46.

[2]黄生洪, 徐胜利, 刘小勇. 煤油超燃冲压发动机两相流场数值研究 [J]. 推进技术, 2005, 26(1): 10-15.

[3]刘伟凯, 陈林泉, 杨向明. 固体燃料超燃冲压发动机燃烧室掺混燃烧数值研究 [J]. 固体火箭技术, 2012, 35(4): 457-462.

[4]高峰, 王宏宇, 张涵. 超燃冲压发动机燃烧室流场数值分析研究综述 [J]. 飞航导弹, 2014(1): 80-84.

[5]Capt Matthew G, et al. Computational analysis of strut induced mixing in a scramjet, AIAA 2009-1253 [R]. 2009.

[6]杨事民, 唐豪, 黄玥. 带凹腔的超声速燃烧室燃烧流场数值模拟 [J]. 航空发动机, 2008, 34(3): 35-38.

[7]Andrew B Freeborn. Characterization of pylon effects on a scramjet cavity flameholder flowfield, AIAA 2008-86 [R]. 2008.

[8]赵延辉. 基于凹腔-支板火焰稳定器的超声速燃烧室实验与数值模拟研究 [D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011.

[9]杨阳. 超燃烧室火焰稳定技术的试验研究 [D]. 北京: 北京航空航天大学, 2012.

收稿日期:2014-07-04

作者简介:王宏宇(1989-),男,辽宁丹东人,硕士研究生,研究方向:航空宇航推进理论与工程。

中图分类号:V211.3

文献标志码:A

Numerical Study on the Mixture of Kerosene Using Strut-cavity Structure

WANG Hongyu,GAO Feng,WANG Yingyang

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Abstract:Numerical simulation with discrete phase model was made on supersonic combustor with a strut-cavity structure to study the mixture characteristics of the supersonic combustor. The effect of the cavity’s length to depth ratio (L/D) and the aft angle on the kerosene mixture characteristics was analyzed. The results show that the structure with big L/D contributes to the mixture of the fuel and air with higher mixture efficiency; the cavity with 30° aft angle involves more fuel than that with 45° aft angle, increasing the mass exchange between the fuel and the air in the cavity.

Keywords:supersonic combustor; strut and cavity flame-holder; mixture efficiency; numerical simulation