超燃燃烧室支板喷注器燃料掺混优化数值分析*

王旭东，高　峰，王应洋，张　涵（空军工程大学防空反导学院，西安　710051）

超燃燃烧室支板喷注器燃料掺混优化数值分析*

王旭东，高峰，王应洋，张涵
（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

为分析喷孔对带交错支板/凹腔组合结构燃烧室性能的影响，运用数值模拟的方法研究了单个喷孔和多个喷孔与支板的相对位置对燃料掺混效率的影响，并探讨了流场在不同喷射角度下的变化情况。研究发现：喷孔正对下斜支板更有利于燃料向燃烧室中心区域扩散，提高混合效率，此结论同样适用于多喷孔喷射；喷射角越接近90°，越有利于提高燃料的穿透深度，同时远场穿透能力随之增强。但喷射角度越大，总压损失越大。

超燃燃烧室；支板；喷孔位置；喷射角度

0　引言

燃料在燃烧室中穿透深度和掺混效率的提高一直是设计大型超燃冲压发动机的关键。喷孔的设计必须在不需要较高的喷射动压的情况下能有效的促进燃料扩散到燃烧室的中心区域以促进燃料与空气快速混合。当前，超燃冲压发动机的燃料壁面喷射高度普遍较低，导致混合效率和燃烧效率低下，而在燃烧室中置入的支板喷注器可将燃料直接喷注到主流中，增加燃料扩散均匀度［1］。与传统支板相比，楔形支板能更有效的促进支板下游燃料掺混［2］。支板上喷孔和喷注策略的设计应能有效的促进燃料的混合。

Chung-Jen Tam等人研究发现前掠支板将燃料带入流场底部而后掠支板将燃料带入流场中心区域，此外还发现，喷孔在支板上的位置优化组合对减小总压损失和增强混合效率有重大意义［3］；Ramya P等人提出在多个立式锥形支板组合结构的基础上比较了喷孔位置组合方式，发现优化组合后可提升11%的燃烧效率［4-5］；刘金林对喷孔与支板尾部的距离进行研究时发现随着喷孔向支板尾部移动，燃料扩散程度逐渐减弱［6］。文中在以上研究基础上，进一步分析了冷流场中喷孔位置和喷射角度对流场特性的影响。通过数值模拟得到乙烯组分分布情况，对不同方案的混合效果进行了分析。

1　计算模型

图1为支板/凹腔组合结构超燃燃烧室模型［7］示意图。模型由平直入口段、矩形截面自由通道和扩张尾段组成，总长为510 mm。支板尾部为交错结构，交错支板长度为13.76 mm，尾部支板交错角为36°。选择乙烯作为燃料，喷孔处乙烯喷射总压Pt=776.1 kPa，静压P=410 kPa，总温Tt=360 K。来流气体成分的质量分数αO2=23%，αH2O=17%，来流马赫数Ma=1.756，总压 Pt=431.7 kPa，静压 P=80.348 kPa，总温Tt=1 800 K。

图1　燃烧室结构图（单位：mm）

如图2所示，为研究喷孔位置对流场特性与燃料混合效果的影响，文中对单个喷孔位置的研究采用3个算例，按喷孔所正对的交错支板位置依次记为case _B、case_BC（正对B、C支板交界处）、case_C。方形喷孔宽度均为0.97 mm，距支板尾部均为40 mm。对喷射角度进行研究时，定义喷射方向与主流方向的夹角为喷射角度，文中分别研究喷射角α=30°、60°、90°、120°四个算例。最后为研究其实用性，将单侧单喷孔喷射扩展至双侧四喷孔喷射（每侧支板上喷孔数均为2个），并设置3个算例，case1为上侧喷孔正对A、C支板，下侧喷孔正对B、D支板；case2为双侧喷孔均正对A、B支板交界处和C、D支板交界处；case3为上侧喷孔正对B、D支板，下侧喷孔正对A、C支板。

图2　支板结构图

文中的数值模拟利用FLUENT软件求解，应用多组分化学非平衡N-S守恒方程和可压缩修正的SST k-ω湍流模型，并选取基于密度的耦合显式求解器求解稳态问题。计算区域的来流边界选择压强远场边界条件，出口按照超声速出口条件，壁面采用绝热、无滑移壁面。计算域网格采用ICEM软件进行划分，为保证计算的精确度，对近壁面处、喷口位置附近和支板尾部进行网格加密处理，网格总量约为200万，局部网格见图3所示。

由于文中所采用物理模型和湍流模型与文献［7］一致，其已在论文中进行过算例验证，得出所选的湍流模型和组分输运模型适用于此燃烧室模型，故文中不再赘述。为验证文中选用的200万网格的有效性，选用100万、150万、200万和250万网格4个算例，并采用乙烯质量分数大于0.005的区域无量纲化面积（记为A，Ai为喷孔面积）作为表征参数对网格的无关性进行检验［8］。如图4所示，随着网格数的增大，A/Ai之间的差值越来越小，200万和250万网格所得A/Ai值的曲线基本重合，说明网格数继续增加所得的计算结果与文中使用的200万网格计算结果差距很小，文中选用的200万网格已经可以满足计算精度的要求。

图3　模型网格示意图

图4　不同网格数A/Ai值比较

2　计算结果与分析

2.1不同喷孔位置对流场特性的影响

图5给出了x/D=13处3个算例沿流场流向看去乙烯组分等值线图，为便于观察比较，将该处切片等分成4个象限，分别用罗马数字标出。比较3个算例的乙烯组分高浓度区域分布，发现随着喷孔位置在z轴方向递增，高浓度组分区域面积也逐渐增大，同时在y方向也有抬高趋势；从整体形状来看，case_B乙烯组分在Ⅲ、Ⅳ象限扩散较充分，说明其纵向穿透能力好；case_BC乙烯组分上下两部分面积相近，但上部浓度较大，故主要组分仍分布于燃烧室上部；case_ C乙烯组分主要在Ⅰ象限燃烧室的近壁面处，组分浓度分布梯度较大，并且位置相对集中，可得出其未进入主流区域，掺混效果不理想。

图6给出的是3个算例在x/D=13截面上流场涡量、速度矢量和乙烯组分等值线图。从中发现，乙烯组分分布形状基本与流向涡相吻合，case_B的组分在左侧3个流向涡的卷吸作用下向支板另一侧扩散，这也印证了上文中得出的case_B的纵向扩散能力较好的结果；case_BC受中间两个流向涡的作用比较大，因此呈条状；case_C未进入流向涡的主流区域，受最右侧外围涡的作用较小，因此呈半弧状。

图5　x/D=13处乙烯组分云图

图6　x/D=13处涡量、速度矢量和组分等值线图

图7　当量比0.4≤φ≤5.5的切面上乙烯组分云图

图7给出了3个算例在冷流场计算工况x/D= 10、11、12、13、14切片上可燃混合区Af［9］（当量比0.4 ≤φ≤5.5）和以喷孔为起点的流线图，括号内为Af的面积。由图可见乙烯组分沿x轴的传播、扩散情况，case_B、case_BC下游乙烯组分y方向扩展深度较大，其中case_B乙烯组分在流场中心处扩散效果较明显；case_C乙烯组分分布向展向扩展，穿透深度和扩散能力较弱。从量化角度讲，对比3个算例的可燃混合区Af面积可直观的得出case_B＞case_BC＞case_ C，这与上述结果相一致。喷孔越靠近上斜支板，乙烯组分向流场中心扩散能力和穿透能力越弱，分析原因可能是上斜支板阻碍了气流的展向流动，而喷孔正对下斜支板时，流场有较为充分的空间沿y轴负方向流动，从而带动乙烯组分向流场中心区域扩散。从流线图的变化趋势来看，case_B流线最为分散，case_BC次之，case_C最为集中且靠近燃烧室上部。可以得出喷孔在z方向越靠近下斜支板，流场受支板的扰动作用越明显，这是由于在下斜支板处，支板结构出现一个有限的外折角，超声速气体流过该区域形成膨胀波，在该膨胀波的影响下，气流向支板的另一侧流动，从而带动乙烯组分进入支板尾部的尾流漩涡主流中，增强了乙烯组分的混合效果。

图8为3个算例的乙烯组分在各截面上混合效率曲线图。文中所采用的混合效率是Rogers等人提出的与化学反应相联系的混合效率概念［10］，最大浓度为各截面乙烯组分质量分数最大值。从混合效率曲线图中可以发现，在x/D≤10时，case_B和case_C的混合效率基本一致并且好于case_BC，这是由于case_B和case_C距各自相邻壁面的距离相等，受壁面低速流场扰动作用明显，混合效果较好，而case_BC处于流场z方向中间位置，扰动作用不明显，故混合效果较次；在x/D≥10之后，由于乙烯组分处于下斜支板引起的下游纵向旋涡结构中，因此混合效率明显呈现case_B＞case_BC＞case_C的现象。

图8　不同位置喷孔混合效率曲线

2.2不同燃料喷射角度对流场特性的影响

图9给出了冷流场计算工况为x/D=8、9、10、11、12、13、14切片上乙烯可燃混合区组分云图，括号内为Af的面积。在4种计算结果中，30°和120°在x/ D=9之后的Af切片中已不存在φ≥5.5的高浓度乙烯组分，而60°和90°在x/D=10之后才出现这种情况，由此可以看出，30°和120°的近场穿透能力较强，通过比较x/D=12切片发现，30°已经没有质量分数在0.08以上的乙烯组分，说明30°的远场穿透能力最弱；对比远场切片中乙烯组分质量分数大于0.07的区域发现，喷射角越接近90°，该区域面积越大，说明其y轴方向的穿透深度越好。从可燃混合区Af的面积可以看出，喷射角小于90°时，随着喷射角的增大，可燃混合区面积Af也随之而增大。喷射角继续增大，可燃混合区面积Af反而减小。在所选的4个算例中，喷射角为90°的混合效果最好。

图9　当量比0.4≤φ≤5.5的切面上乙烯组分云图

图10给出了不同喷射角度的燃/气混合效率和总压损失系数曲线图。图中显示，在反转涡和剪切层的作用下，乙烯和空气的混合效率随着流向不断增加，对比4个算例，采用90°为喷射角的喷射方案混合效率明显优于其它喷射角。从总压损失系数曲线图可以看出，支板尾部之前，总压损失增幅较大，之后趋于平稳，分析原因可能是交错支板部分产生的激波阻碍气流流动，之后激波强度降低，总压损失增加减缓，曲线斜率也就减小［11］。曲线总体呈现喷射角越大，总压损失越大，这也与实际相符合，证明算例计算结果无误。在选择喷射角时可以综合各种因素选择最优喷射方案。

2.3多喷孔位置组合的性能研究

图11为x/D=14切片处乙烯组分等值线云图，其中用黑色粗线标出的范围是可燃混合区。可以看到，从乙烯分布位置来看，case2和case3较case1在该处的乙烯分布相对集中于燃烧室中心处，case1主要分布较为靠近燃烧室壁面。从乙烯浓度分布来看，case3在主要分布区域的分布较为均匀，无明显高浓度或低浓度组分区域，而case1在燃烧室的四角均存在高浓度组分，浓度分布梯度较大。

图10　不同喷射角混合效率与总压损失系数曲线

图12为流向各截面乙烯组分最大浓度（切面上乙烯组分浓度最大值）衰减曲线和可燃混合区Af无量纲化数值曲线图。在x/D大于11之前，3个case的乙烯最大浓度基本相等，在 x/D大于11之后，case1乙烯最大浓度明显大于case3和case2，case3和case2最大浓度数值无明显区别。从流场混合区Af数值曲线可以看出，case3和case2的Af值相近，但case3的Af一直保持最大。在x/D=16处，即凹腔前壁面处，case1的Af出现跃升，出现这种现象是由于乙烯输运至凹腔，case1中有靠近燃烧室近壁面的高浓度乙烯组分，较case2和case3有更多的乙烯组分在凹腔回流的卷吸作用下进入凹腔内部，凹腔内部漩涡对燃/气的掺混有极大的促进作用，从而case1掺混效果较之前有明显的提升，之后的燃烧室为等直段，结构对掺混无显著影响，此时远场混合程度的继续增大则主要由质量扩散控制［12］。

图11　x/D=14处乙烯组分云图

图13为沿流向各截面混合效率和总压损失系数曲线图。从混合效率曲线图可以看出，三者的区别主要集中在流场流经交错尾部之后，混合效率快速增加，但case3的增幅最大，且在数值上保持最大。由于支板结构未发生改变，故尾部流向涡和展向涡的变化也很小，故可结合图6中涡的位置，可以得出，下斜支板相当于导流槽，将乙烯组分导入支板尾部流场中心流向涡和展向涡附近，从而增强掺混。从总压损失系数曲线图可以看出，总压损失总体上呈现出case2最大，另外两个次之。比较case3和case1，二者在x/D =11.5处达到总压损失系数差值的最大值为1.26%，但case3较case1在该处的混合效率提升约7%，损失较小的总压却较大提高了射流的近场对流混合程度。综上，由单孔喷射扩展到双侧多孔喷射时，乙烯扩散控制混合效率对比情况与单级喷射基本一致，喷孔位置对正下斜支板有利于增强掺混的结论依然成立。

3　结论

文中针对支板/凹腔组合结构超燃燃烧室模型进行数值模拟，通过对比单个喷孔和多个喷孔正对交错支板不同位置和不同喷射角喷射对乙烯组分在流场中的混合的影响，得出以下结论：

图12　不同位置喷孔乙烯组分最大浓度和可燃混合区面积无量纲化数值曲线

图13　不同位置喷孔混合效率与总压损失系数曲线

（1）无论单喷孔喷射还是多喷孔双侧喷射，喷孔正对交错支板的下斜区时，牺牲较小总压可极大的促进乙烯在近场的快速混合和向燃烧室中心区域扩散，可以有效的提高乙烯在燃烧室中的混合效率；

（2）在所选的算例中，喷射角越接近90°，越有利于增强乙烯的掺混效率和纵向穿透深度，同时远场穿透能力增强，但总压损失随着喷射角度的增大而增大，所以喷射角不宜过大。综合考虑总压损失以及混合效率，在文中所选的四个喷射角中，确定90°为最优的喷射角。

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Numerical Optimization Analysis of Fuel-air Mixing for a Supersonic Combustor with Strut Injector

WANG Xudong，GAO Feng，WANG Yingyang，ZHANG Han
（Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To analyze effects of injectors on characteristics of supersonic combustor with staggered rear strut and cavity，numerical simulation was carried out to investigate influence of different injection positions for single and multiple injectors on mixing efficiency of fuel.At last，the effects of the injectors on flow filed with different injection angles were explored.The findings of the study are as follows，the injector which facing directly to the declivity of the strut has better effect on spreading of fuel and mixing efficiency，the conclusion also applies to multiple injectors.With injection angle approaching 90°，the penetration depth and distance of the fuel increase.With increasing of injection angle，total pressure loss also increases.

supersonic combustor；strut；injection position；injection angle

V231.3

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.024

2015-02-11

航空科学基金资助

王旭东（1991-），男，江苏泗阳人，硕士研究生，研究方向：超声速流动。