王宏宇,高　峰,王應(yīng)洋

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安　710051)

支板-凹腔組合結(jié)構(gòu)對煤油混合的數(shù)值分析*

王宏宇,高峰,王應(yīng)洋

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安710051)

摘要:為研究超聲速燃燒室的混合特性,采用離散相模型對帶有支板-凹腔組合結(jié)構(gòu)的煤油超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了凹腔長深比和凹腔后緣傾角變化對煤油混合特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明,大長深比的凹腔構(gòu)型增大了燃料的穿透深度,拓寬了煤油與空氣的接觸面積,從而使混合效率增加。后緣傾角為30°的凹腔較后緣傾角為45°的凹腔更容易卷吸主流中的燃料,增加燃料與凹腔內(nèi)氣體的質(zhì)量交換。

關(guān)鍵詞:超聲速燃燒室;支板-凹腔火焰穩(wěn)定器;混合效率;數(shù)值模擬

0引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可作為高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)、跨大氣層飛行器以及可重復(fù)使用空間發(fā)射器和單級入軌空天飛機(jī)的動(dòng)力裝置[1]。燃燒室是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。對于燃燒室的設(shè)計(jì),必須要保證燃料在有限空間、極短時(shí)間內(nèi),在復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)下完成摻混、燃燒等物理化學(xué)變化使燃燒室正常工作并且性能損失小[2-3]。對于液態(tài)煤油燃料來講,由于其點(diǎn)火延遲時(shí)間長,與空氣混合時(shí)要經(jīng)歷霧化、蒸發(fā)等過程更加大了其摻混和點(diǎn)火的難度,所以有必要對煤油的摻混特性進(jìn)行分析。大量研究表明,支板可直接將燃料平行噴入主流,提高了燃料的穿透深度且可促進(jìn)混合;凹腔可提供活化自由基和回流區(qū),有助于點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定且阻力小[4-6]。基于以上考慮,近些年來,對支板和凹腔組合構(gòu)型的燃燒室也展開了研究[7-9],但對支板-凹腔組合結(jié)構(gòu)對煤油的摻混特性影響的研究還很少。文中通過改變凹腔的長深比和后緣傾角,分析了其對煤油摻混特性的影響。

1計(jì)算模型及數(shù)值方法

1.1　計(jì)算模型

計(jì)算模型為北京航空航天大學(xué)直連式試車臺(tái)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室局部模型,文中將模型燃燒室下游支板和凹腔部分進(jìn)行簡化處理,其結(jié)構(gòu)示意圖及尺寸如圖1所示。模型總尺寸為800 mm×100 mm×90 mm,上壁面擴(kuò)張角為3.43°。支板尾端與凹腔上沿平齊,與燃燒室入口同高,側(cè)壁面均布置9個(gè)煤油噴孔,直徑為0.4 mm。

圖1　燃燒室局部結(jié)構(gòu)簡圖及支板幾何尺寸(單位:mm)

1.2　網(wǎng)格劃分及邊界條件

用Gambit軟件將計(jì)算模型劃分為分塊的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,第一層網(wǎng)格到壁面的距離為5×10-4mm,將y+值控制在0~50之間。在燃燒室及支板凹腔壁面、凹腔剪切層及流動(dòng)參數(shù)梯度大的地方做加密處理,網(wǎng)格總數(shù)約為120萬。圖3給出了燃燒室側(cè)壁面、下壁面和x=0.25和x=0.35截面上的網(wǎng)格。

圖2　部分計(jì)算網(wǎng)格

采用SSTk-ω模型封閉方程組,求解三維可壓縮雷諾平均N-S方程?？諝馊肟诓捎脡毫θ肟谶吔鐥l件,出口為超聲速出口,壁面為絕熱無滑移邊界條件。在拉格朗日坐標(biāo)系下模擬煤油的流動(dòng),假設(shè)煤油為0.4 mm的均勻液滴,采用Wave模型模擬其霧化蒸發(fā)過程,煤油與主流空氣參數(shù)進(jìn)行耦合計(jì)算。空氣及煤油的入口參數(shù)如表1所示。通過改變凹腔長深比及后緣傾角,文中對6個(gè)算例進(jìn)行計(jì)算,如表2所示。

表1　空氣及噴孔入口參數(shù)

表2　算例標(biāo)記

2計(jì)算結(jié)果及分析

2.1　相關(guān)參數(shù)定義

1)混合效率ηm可用下式定義:

(1)

(2)

2)總壓恢復(fù)系數(shù)

總壓恢復(fù)系數(shù)σ用下式定義:

(3)

2.2　支板-凹腔組合煤油混合特性分析

由圖3可知,支板尾端產(chǎn)生旋渦,旋渦可增加燃料的駐留時(shí)間,同時(shí)可增強(qiáng)煤油與空氣的混合,流線螺旋式地流向燃燒室上壁面,使燃料向上牽引。凹腔上沿附近產(chǎn)生回流區(qū),說明凹腔對燃料有卷吸作用,產(chǎn)生旋渦,增強(qiáng)混合,同時(shí)增大了煤油在燃燒室中的駐留時(shí)間。支板與凹腔組合發(fā)揮了支板與凹腔的聯(lián)合作用,更有利于燃料混合的加強(qiáng)。另一方面,凹腔產(chǎn)生的旋渦溫度更高,可為煤油的點(diǎn)燃提供條件。燃燒室側(cè)壁面與上壁面拐角處產(chǎn)生流向渦,也加強(qiáng)了混合效果。

圖3　y=0.005截面流線和溫度圖

2.3　凹腔長深比和后緣傾角對煤油摻混的影響

圖4給出了不同凹腔長深比x=0.3、x=0.5、x=0.7截面的煤油質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖,由圖4可見,煤油燃料主要集中在燃燒室縱向中心區(qū)域,凹腔可使煤油向展向擴(kuò)散,增加了煤油的穿透深度。長深比為6的凹腔穿透深度較低;相比之下,長深比為9的凹腔使煤油更加向展向擴(kuò)展,增大了煤油與空氣的接觸面積;長深比為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燒室中心,能夠?qū)崿F(xiàn)更好的混合。

圖4　不同凹腔長深比煤油質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖(x=0.3,x=0.5,x=0.7)

圖5　對稱截面煤油質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖5給出了各個(gè)算例對稱截面煤油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖,x=0.2 mm位置為支板尾端位置。由圖可知,后緣傾角為30°比后緣傾角為45°的凹腔內(nèi)存在較多的煤油組分,說明較小的后緣傾角能夠卷吸更多的燃料,增加氣體與凹腔的質(zhì)量交換,這對燃料的混合與點(diǎn)燃都是有利的。

圖6和圖7為各算例混合效率和總壓恢復(fù)系數(shù)曲線,顯示了凹腔不同長深比和后沿傾角的混合效果和總壓損失。由圖6可知混合效率沿x軸方向不斷升高,大長深比的凹腔有較大的混合效率。凹腔長深比相同時(shí),30°后緣傾角凹腔的混合效率略大于45°后緣傾角的凹腔,長深比為9時(shí)幾乎相同。由圖7可知,凹腔長深比為6時(shí),總壓恢復(fù)系數(shù)較高,在0.79~0.8之間,后緣傾角為45°時(shí)略大,但相差不大;凹腔長深比越大,總壓恢復(fù)系數(shù)越小,但凹腔長深比為9和12時(shí),總壓恢復(fù)系數(shù)也近似相等,較長深比為6的凹腔下降約3.8%。可認(rèn)為,大長深比的凹腔在增加混合效率的同時(shí)也帶來一定的總壓損失。

圖6　混合效率曲線

圖7　總壓恢復(fù)系數(shù)

3結(jié)論

1)支板凹腔組合結(jié)構(gòu)通過支板尾端、凹腔內(nèi)的回流區(qū)、凹腔產(chǎn)生的流向渦及激波的共同作用來增加燃料與空氣的混合。

2)文中算例中,大長深比的凹腔可增加煤油燃料的穿透深度,增加燃料與空氣的混合效率,但總壓損失較大。

3)文中算例中,后緣傾角為30°的凹腔較后緣傾角為45°的凹腔更容易卷吸主流中的氣體,增加燃料與凹腔內(nèi)氣體的質(zhì)量交換。

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收稿日期:2014-07-04

作者簡介:王宏宇(1989-),男,遼寧丹東人,碩士研究生,研究方向:航空宇航推進(jìn)理論與工程。

中圖分類號:V211.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: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