宋文艷, 石德永, 王宇航

(西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院, 西安 710072)

0 引 言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)因其在高馬赫數(shù)空天飛行中所展示的高比沖性能，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，許多相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究也隨之開(kāi)展。其中，超聲速燃燒室中由于進(jìn)口氣流速度較高，燃料和空氣停留時(shí)間極短，面臨著點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定和高效燃燒等一系列問(wèn)題。目前，凹槽火焰穩(wěn)定器被廣泛應(yīng)用于超聲速燃燒室設(shè)計(jì)中，凹槽內(nèi)的回流區(qū)為燃料/空氣混合和燃燒提供了較長(zhǎng)停留時(shí)間，而凹槽內(nèi)維持的火焰則為主流提供了熱源及中間產(chǎn)物，以點(diǎn)燃和穩(wěn)定主流中的火焰。因此，整體來(lái)看，凹槽火焰穩(wěn)定器具有總壓損失小、穩(wěn)定燃燒性好等突出優(yōu)點(diǎn)[2]。

超聲速燃燒室內(nèi)的流動(dòng)/燃燒過(guò)程極為復(fù)雜，往往需要借助先進(jìn)光學(xué)診斷技術(shù)反映整個(gè)燃燒流場(chǎng)。由于較短的曝光時(shí)間和較高的幀率，高速攝像技術(shù)可以得到瞬時(shí)流場(chǎng)信息并反映流場(chǎng)的高頻特性。平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)則可以通過(guò)不同的熒光波長(zhǎng)準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)中特定組分特別是燃燒中間產(chǎn)物的分布，反映燃燒流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰形態(tài)，被廣泛應(yīng)用于超聲速燃燒室中的點(diǎn)火過(guò)程、火焰穩(wěn)定模式、火焰?zhèn)鞑ヒ约盎鹧嬲鹗幏治龅脑囼?yàn)研究中。Li等[3-4]采用煤油PLIF研究了多種構(gòu)型下煤油燃料在凹槽內(nèi)的分布，分析了對(duì)點(diǎn)火的可能影響。密歇根大學(xué)的Micka和Fotia等[5-8]觀測(cè)到了兩種不同的燃燒穩(wěn)定模式，分別為凹槽穩(wěn)定模式和射流尾跡穩(wěn)定模式,其研究結(jié)果表明，進(jìn)口總溫、燃料當(dāng)量油氣比越高，燃燒越趨于射流尾跡穩(wěn)定模式。Fotia[5]對(duì)比了不同燃燒穩(wěn)定模式下的燃燒室壁面壓力分布，研究發(fā)現(xiàn)，燃燒穩(wěn)定模式的變化導(dǎo)致了燃燒室峰值壓力點(diǎn)位置、偽激波串下游截止點(diǎn)位置的移動(dòng)。Wang等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了射流尾跡燃燒穩(wěn)定模式時(shí)的穩(wěn)定機(jī)制，結(jié)果表明，在射流尾跡燃燒穩(wěn)定模式下，凹槽仍起到了火焰穩(wěn)定的作用，但未能實(shí)現(xiàn)不帶凹槽的射流尾跡燃燒穩(wěn)定模式。Le[10]及Wang等[9]根據(jù)觀測(cè)到的燃燒可見(jiàn)光及OH的熒光圖像，將凹槽火焰穩(wěn)定模式細(xì)分為兩種：凹槽剪切層穩(wěn)定模式和回流區(qū)穩(wěn)定模式[10](或聯(lián)合凹槽剪切層/回流區(qū)穩(wěn)定模式[9])。Yuan等[11]研究了不同當(dāng)量比下的火焰穩(wěn)定模式。文獻(xiàn)[6-9]中的觀測(cè)結(jié)果均表明，當(dāng)燃燒穩(wěn)定模式為凹槽火焰穩(wěn)定模式時(shí)，穩(wěn)定在凹槽前緣點(diǎn)下游剪切層內(nèi)的火焰以相對(duì)固定的角度向主流流場(chǎng)傳播，基于CHEMKIN理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量得到的火焰?zhèn)鞑ソ嵌入S總溫變化趨勢(shì)一致。據(jù)此，Micka[6]認(rèn)為凹槽火焰穩(wěn)定模式時(shí)的火焰前鋒呈現(xiàn)出很強(qiáng)的湍流預(yù)混火焰特性。

本文針對(duì)西北工業(yè)大學(xué)雙模態(tài)超聲速單凹槽燃燒室模型開(kāi)展總溫1085K下的煤油點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)。采用高速攝像儀、平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)獲得燃燒可見(jiàn)光圖像、kerosene-PLIF和OH & kerosene熒光圖像等數(shù)據(jù)。結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，分析煤油燃料超聲速燃燒室的火焰穩(wěn)定模式，揭示煤油火焰結(jié)構(gòu)。針對(duì)模型直連式試驗(yàn)中的煤油單獨(dú)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，以Fluent軟件數(shù)值模擬雙模態(tài)超聲速燃燒室三維燃燒流場(chǎng)。綜合試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，詳細(xì)分析各燃燒狀態(tài)下的凹槽火焰穩(wěn)定模式種類(lèi)和火焰穩(wěn)定機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)值模擬方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為西北工業(yè)大學(xué)甲烷燃燒加熱直連式燃燒室試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)主要由甲烷燃燒加熱器、高壓空氣氣源、配氣系統(tǒng)、超聲速燃燒室燃料供應(yīng)系統(tǒng)、設(shè)備噴管、超聲速燃燒室試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。氧氣首先與空氣在空-氧混合器內(nèi)按照一定的比例混合，而后再與相應(yīng)比例的甲烷在加熱器內(nèi)直接燃燒形成所需要的高焓(高溫)試驗(yàn)氣體。在保證甲烷燃燒加熱器出口高焓試驗(yàn)氣體中O2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.21的條件下，通過(guò)理論計(jì)算確定進(jìn)入加熱器的三組元的配比。高焓試驗(yàn)氣體依次經(jīng)圓轉(zhuǎn)方及設(shè)備噴管后進(jìn)入雙模態(tài)超聲速燃燒室試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該直連式試驗(yàn)系統(tǒng)具備總溫850～2100K、總壓0.8～4.0MPa、主流空氣流量0.5～2.5kg/s的模擬能力，覆蓋模擬飛行馬赫數(shù)4～7。

圖1 甲烷燃燒加熱直連式燃燒室試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

Fig.1Schematicofthemethaneheaterdirectconnectedcombustortestsystem

圖2為雙模態(tài)單凹槽超聲速燃燒室試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)剖視圖。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀傻让娣e隔離段及燃燒室組成。單凹槽火焰穩(wěn)定器安裝在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南卤诿妫疾凵?0.8mm，長(zhǎng)深比為10.8。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳舷卤诿娌贾昧舜罅康谋诿鎵毫y(cè)點(diǎn)。為進(jìn)行流場(chǎng)觀測(cè)，在燃燒室凹槽部分設(shè)計(jì)了光學(xué)觀測(cè)窗。煤油噴嘴位于凹槽前緣壁面上游，距凹槽前緣的軸向距離為35mm，由3個(gè)Φ0.35mm噴孔組成，中間噴孔的中心位于二維燃燒室的中心截面上。先鋒氫氣噴嘴及火花塞均位于凹槽底部壁面。

模擬的來(lái)流條件如表1所示，對(duì)應(yīng)模擬飛行馬赫數(shù)4下的燃燒室進(jìn)口狀態(tài)。噴射的煤油燃料采用先鋒氫燃料點(diǎn)火，氫燃料噴射一段時(shí)間后自行撤除，煤油燃料將單獨(dú)維持燃燒，模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的燃燒狀態(tài)。本研究中當(dāng)量比從0.18變化到0.41，涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)工作的超燃和亞燃兩種模態(tài)。

圖2 雙模態(tài)單凹槽超聲速燃燒室試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

Fig.2Schematicofthedual-modecavity-basedsupersoniccombustormodel

表1 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)Table 1 Test conditions

1.2 測(cè)量方法

采用高速攝像儀(FASTCAM-ultima 1024 High-Speed Video Camera System)對(duì)燃燒室內(nèi)的燃燒可見(jiàn)光進(jìn)行拍攝，高速攝像儀分辨率為512pixel×128pixel，頻率為2000Hz，曝光時(shí)間為0.5ms。

PLIF測(cè)量系統(tǒng)由激光器、光學(xué)鏡片、ICCD(Intensified charge-coupled device camera)相機(jī)等組成。圖3為PLIF測(cè)量原理示意圖，圖4為PLIF光學(xué)診斷系統(tǒng)實(shí)物圖。ICCD相機(jī)正對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)壁面的觀測(cè)窗。平面誘導(dǎo)激光通過(guò)位于上壁面的光學(xué)玻璃進(jìn)入燃燒室，并與燃燒室中心截面重合，誘導(dǎo)激發(fā)燃燒室中的OH(羥基)和煤油熒光。試驗(yàn)采用一套輸出波長(zhǎng)為282.141nm誘導(dǎo)激光的Nd: YAG泵浦的可調(diào)諧染料激光器系統(tǒng)，其輸出激光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于OH分子A←X(1,0)躍遷的Q1(3)共振吸收線(xiàn)，到達(dá)測(cè)量區(qū)后每條激光束的能量約5mJ。需要指出的是，煤油燃料超聲速燃燒室中未燃燒的煤油大分子在平面激光的激勵(lì)作用下也會(huì)輻射熒光。煤油熒光光譜范圍寬，會(huì)覆蓋OH熒光的輻射波段，對(duì)OH熒光信號(hào)造成很強(qiáng)的干擾。因此，根據(jù)OH及煤油的激光誘導(dǎo)熒光輻射光譜特性，針對(duì)同一試驗(yàn)狀態(tài)分別拍攝了煤油熒光信號(hào)(kerosene-PLIF)和OH & kerosene熒光信號(hào)(OH & kerosene-PLIF)。選用f320濾光片拍攝OH & kerosene熒光信號(hào)，選用f340濾光片拍攝煤油熒光圖像。PLIF拍攝的頻率為10Hz，曝光時(shí)間50ns。

圖3 PILF測(cè)量原理示意圖

圖4 PLIF光學(xué)診斷系統(tǒng)照片

1.3 數(shù)值方法

超聲速燃燒室兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、兩相流、化學(xué)動(dòng)力學(xué)以及計(jì)算流體力學(xué)等多門(mén)學(xué)科。商業(yè)軟件Fluent是一種基于有限體積求解N-S方程的軟件包。在數(shù)值計(jì)算中，采用包含多種組分帶化學(xué)反應(yīng)的雷諾平均、守恒型N-S方程作為氣體湍流流動(dòng)、燃燒控制方程。根據(jù)雙模態(tài)超聲速燃燒室內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)，采用Menter提出的剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型模擬湍流效應(yīng)，即雙方程湍流模型。采用層流有限速率模型模擬燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。在煤油燃燒數(shù)值模擬中，采用Kundu等[12]提出的12組份13步有限速率反應(yīng)模型。選用波致破碎模型進(jìn)行計(jì)算(對(duì)于雙模態(tài)超聲速燃燒室中的大Weber數(shù)的情況，波致破碎模型一般更為適合)。

在計(jì)算過(guò)程中，主要采用3種標(biāo)準(zhǔn)判斷計(jì)算結(jié)果的收斂性，即流動(dòng)性質(zhì)的殘差、壁面靜壓和質(zhì)量守恒：(1) 流動(dòng)性質(zhì)的殘差：無(wú)化學(xué)反應(yīng)時(shí)，各方程的殘差應(yīng)小于10-5，有燃燒化學(xué)反應(yīng)時(shí)，各方程的殘差應(yīng)小于10-3；(2) 壁面靜壓值穩(wěn)定(誤差小于0.1%)；(3) 進(jìn)出口的流量守恒(誤差小于0.5%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙模態(tài)燃燒室流場(chǎng)可視化結(jié)果

采用PLIF分析了流場(chǎng)中特定組分的分布。圖5展示了煤油燃料當(dāng)量比ERk=0.33時(shí)的瞬時(shí)kerosene-PLIF圖像。圖中列出了4張時(shí)間上連續(xù)且間隔為0.1s的瞬時(shí)圖像。燃料射流邊界呈現(xiàn)出不連續(xù)、卷曲的特點(diǎn)，這反映出因燃料射流和主流之間的強(qiáng)剪切作用而形成了大尺度結(jié)構(gòu)，這些大尺度結(jié)構(gòu)卷吸燃料射流和主流空氣，使得射流和主流之間互相吞并，從而形成了卷曲的邊界，伸展了燃料/空氣的接觸面積。上游區(qū)域燃料射流邊界的煤油熒光梯度大，而在下游區(qū)域射流邊界的煤油熒光梯度較小，這說(shuō)明在下游交界面區(qū)域發(fā)生了明顯的擴(kuò)散，使得邊界逐漸模糊。燃料射流在t0+0.1s和t0+0.3s明顯進(jìn)入了凹槽區(qū)域，而在t0和t0+0.2s卻沒(méi)有跨過(guò)剪切層，這說(shuō)明在燃燒狀態(tài)下燃料會(huì)隨著剪切層和回流區(qū)的相互作用周期性地進(jìn)入凹槽。

(a) t=t0

(b) t=t0+0.1s

(c) t=t0+0.2s

(d) t=t0+0.3s

這一狀態(tài)下的OH & kerosene-PLIF圖像如圖6所示，圖中同樣列出了4張時(shí)間上連續(xù)且間隔為0.1s的OH & kerosene-PLIF圖像?？梢钥吹?，盡管來(lái)流中含有OH等污染組分，但相較于燃燒產(chǎn)生的OH，幾乎可以忽略不計(jì)。但是如前所述，由于煤油大分子在激光激勵(lì)作用下也會(huì)輻射熒光，并會(huì)疊加在OH熒光圖像上，因而需要結(jié)合kerosene-PLIF結(jié)果來(lái)排除這種干擾。剪切層上方的熒光區(qū)域邊界同樣呈現(xiàn)出不連續(xù)、卷曲的特點(diǎn)，這應(yīng)該是煤油熒光疊加的結(jié)果。值得注意的是，下游區(qū)域和凹槽區(qū)域觀測(cè)到的較強(qiáng)熒光信號(hào)，這些不同于煤油熒光的特征正是OH熒光所帶來(lái)的。凹槽區(qū)域始終存在的熒光信號(hào)，表明部分OH進(jìn)入了凹槽回流區(qū)，而局部區(qū)域的大梯度，則表明了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行以及大量的OH產(chǎn)生。

(a) t=t0

(b) t0+0.1s

(c) t0+0.2s

(d) t0+0.3s

將不同當(dāng)量比下的20張瞬時(shí)PLIF結(jié)果經(jīng)過(guò)平均，得到了時(shí)均kerosene-PLIF和OH & kerosene-PLIF結(jié)果，如圖7、8所示?？梢钥吹?，平均后的結(jié)果熒光邊界顯得較為平滑。對(duì)比圖7中不同煤油燃料當(dāng)量比下的kerosene-PLIF圖像，可以發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比的增加，燃料向主流流場(chǎng)的穿透深度增加。圖8和7的對(duì)比顯示出，下游區(qū)域和凹槽內(nèi)流場(chǎng)中觀測(cè)到的大部分熒光信號(hào)是燃燒中間產(chǎn)物OH發(fā)出的，并且隨著當(dāng)量比增加，OH集中的熒光區(qū)域從凹槽尾緣逐漸移到了剪切層和主流中。

試驗(yàn)中采用高速相機(jī)拍攝了燃燒可見(jiàn)光圖像，圖9為燃燒狀態(tài)下的平均燃燒可見(jiàn)光圖像。在圖9(a)中，凹槽處不銹鋼壁面由于長(zhǎng)時(shí)間與燃燒產(chǎn)物接觸，達(dá)到了很高的溫度進(jìn)而發(fā)出輻射，但是這并不影響對(duì)流道中火焰發(fā)光特別是發(fā)光邊界的拍攝。通過(guò)定義一個(gè)可見(jiàn)光亮度等值線(xiàn)可以得到火焰或燃燒區(qū)邊界，如圖9(a)和(b)中黃色虛線(xiàn)所示?；鹧婊蛉紵齾^(qū)邊界顯示，燃燒室內(nèi)的燃燒穩(wěn)定模式均為凹槽火焰穩(wěn)定模式。不同油氣比下的燃燒可見(jiàn)光圖像對(duì)比顯示：隨著燃料當(dāng)量比的增加，火焰?zhèn)鞑ソ嵌燃盎鹧嫦蛑髁鞯拇┩父叨仍黾樱鹧孀罡唿c(diǎn)的軸向位置向流場(chǎng)下游移動(dòng)。

圖7 平均kerosene-PLIF圖像

圖8 平均OH & kerosene-PLIF圖像

(a) ERk=0.18

(b) ERk=0.33

2.2 雙模態(tài)燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果

開(kāi)展了數(shù)值模擬以幫助分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖10為燃燒室壁面壓力分布計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比結(jié)果。圖中陰影標(biāo)出了凹槽區(qū)域。可以看出，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分布趨勢(shì)一致。這表明數(shù)值模擬結(jié)果有效地捕捉到了超聲速燃燒室內(nèi)復(fù)雜的膨脹波、激波等流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并很好地反映出了凹槽內(nèi)的流動(dòng)特性。圖10(a)為無(wú)反應(yīng)結(jié)果，圖10(b)、(c)和(d)為煤油燃料當(dāng)量比為0.18、0.33和0.41時(shí)燃燒狀態(tài)的壁面壓力。計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著當(dāng)量比的增加，燃燒室內(nèi)峰值壓力上升，激波串前沿向上游流場(chǎng)移動(dòng)。

(a) 冷流

(b) ERk=0.18

(c) ERk=0.33

(d) ERk=0.41

Fig.10Comparisonsofthewallpressuredistributionsbetweencalculationandexperiment

以煤油燃料當(dāng)量比ERk=0.33為例展示了部分?jǐn)?shù)值模擬得到的云圖結(jié)果。圖11～13為燃燒室中心截面及橫截面上的靜溫、煤油摩爾分?jǐn)?shù)、OH摩爾分?jǐn)?shù)云圖。圖14為燃燒室中心截面上的流線(xiàn)圖。靜溫及煤油摩爾分?jǐn)?shù)云圖顯示：靠近下壁面流場(chǎng)中濃度較高的煤油使得該區(qū)域靜溫較低。對(duì)比圖13及流線(xiàn)圖14，OH分布前沿點(diǎn)位于凹槽前緣處的剪切層內(nèi)；與凹槽前緣點(diǎn)處下壁面分離后，剪切層向凹槽底部壁面方向偏折并最終在凹槽底部壁面上重新附著，始自凹槽前緣點(diǎn)的層狀OH分布區(qū)以相對(duì)固定的角度向主流方向傳播。

圖11 ERk=0.33時(shí)燃燒室中心截面靜溫云圖

Fig.11StaticpressurecontouratspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

圖12 ERk=0.33時(shí)燃燒室中心截面煤油摩爾分?jǐn)?shù)云圖

Fig.12KerosenemolefractioncontouratspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

圖13 ERk=0.33時(shí)燃燒室中心截面OH摩爾分?jǐn)?shù)云圖

Fig.13OHmolefractioncontouratspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

Fig.14StreamlineatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

2.3 雙模態(tài)燃燒室火焰穩(wěn)定模式分析

圖15為根據(jù)冷流及不同煤油當(dāng)量比狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果得到的流線(xiàn)圖。圖15(a)為冷流狀態(tài)下的燃燒室中心截面流線(xiàn)圖。按照凹槽流動(dòng)狀態(tài)劃分[13]，冷流狀態(tài)下的凹槽為“開(kāi)式凹槽”。圖15(b)為煤油當(dāng)量比為0.18時(shí)的流線(xiàn)圖，激波串與剪切層的相互作用使得凹槽內(nèi)回流區(qū)向主流方向擴(kuò)張，回流區(qū)尺寸增大，剪切層在凹槽尾緣點(diǎn)附近重新附著壁面。圖15(c)和(d)分別為煤油當(dāng)量比為0.33和0.41時(shí)的流線(xiàn)圖。凹槽上游流場(chǎng)速度及激波強(qiáng)度的下降，使得凹槽轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴]式凹槽”。剪切層與凹槽前緣點(diǎn)處壁面分離后向凹槽底部壁面方向偏轉(zhuǎn)，并最終在凹槽底部壁面上重新附著。以上數(shù)值模擬結(jié)果顯示，凹槽上游流場(chǎng)速度的變化及激波與剪切層的相互作用均會(huì)導(dǎo)致凹槽內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特性的變化：隨著當(dāng)量比的增加，激波串起始位置向上游流場(chǎng)移動(dòng)，凹槽從“開(kāi)式凹槽”向“閉式凹槽”轉(zhuǎn)變。

(a) Non-reacting

(b) ERk=0.18

(c) ERk=0.33

(d) ERk=0.41

Fig.15Streamlineatspanwisecenterlineofthecombustorunderdifferenttestconditions

為更深入地理解和認(rèn)識(shí)超聲速燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定模式，將計(jì)算得到的流線(xiàn)圖與試驗(yàn)拍攝到的平均燃燒可見(jiàn)光、煤油及OH & kerosene-PLIF圖像進(jìn)行疊加。圖16為燃燒室中心截面流線(xiàn)與燃燒室可見(jiàn)光圖像疊加。在煤油當(dāng)量比0.18～0.41的范圍內(nèi)，火焰基底均穩(wěn)定在凹槽剪切層內(nèi)；ERk=0.18時(shí)，火焰基底距凹槽前緣壁面最遠(yuǎn)；ERk=0.33與0.41時(shí)，火焰基底位置基本相同。

圖17～19分別為煤油當(dāng)量比為0.18、0.33和0.41時(shí)，數(shù)值計(jì)算得到的流線(xiàn)與試驗(yàn)拍攝到的平均PLIF熒光信號(hào)疊加的結(jié)果。圖17(a)為流線(xiàn)與平均煤油熒光信號(hào)疊加，圖17(b)為流線(xiàn)與平均OH & kerosene-PLIF疊加。結(jié)果顯示:當(dāng)量比為0.18時(shí)，煤油穿透高度較低，因而主要集中在凹槽剪切層內(nèi)，僅有少量煤油進(jìn)入凹槽回流區(qū)內(nèi)。OH熒光信號(hào)主要集中在凹槽剪切層內(nèi)和凹槽回流區(qū)的下游部分，且在靠近凹槽尾緣處剪切層內(nèi)的OH熒光信號(hào)最強(qiáng)。當(dāng)量比為0.33時(shí)，受?chē)娮烨爸髁魉俣认陆导案矫鎸臃蛛x、厚度增大等因素的影響，部分煤油穿透剪切層并與主流空氣混合，煤油主要分布在剪切層及其緊鄰的主流流場(chǎng)內(nèi)，僅有極少量的煤油被輸運(yùn)至凹槽回流區(qū)。OH主要集中在凹槽回流區(qū)上方的剪切層，回流區(qū)內(nèi)的OH熒光信號(hào)較低。當(dāng)量比為0.41時(shí)，煤油主要集中在剪切層和主流流場(chǎng)內(nèi)，凹槽回流區(qū)內(nèi)觀測(cè)到了微弱的OH熒光信號(hào)。

在本文的試驗(yàn)狀態(tài)下，火焰基底始終穩(wěn)定在凹槽剪切層內(nèi)，燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定模式均為凹槽火焰穩(wěn)定模式。試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，可以根據(jù)燃料當(dāng)量比大小將燃燒室劃分為3種不同的典型燃燒狀態(tài)：激波串起始位置位于煤油噴嘴下游的低當(dāng)量比狀態(tài)、激波串起始位置位于煤油噴嘴上游的中等當(dāng)量比狀態(tài)和激波串完全移動(dòng)至煤油噴嘴上游的高當(dāng)量比狀態(tài)。在低煤油當(dāng)量比狀態(tài)下，OH主要集中在凹槽剪切層內(nèi)的層狀區(qū)域內(nèi)，凹槽回流區(qū)下游部分也有濃度很低的OH；在中等煤油當(dāng)量比狀態(tài)下，激波串起始位置移動(dòng)至凹槽前緣壁面上游，凹槽從“開(kāi)式凹槽”轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴]式凹槽”，火焰基底穩(wěn)定在凹槽剪切層內(nèi)，層狀燃燒區(qū)的走向、位置與凹槽剪切層并不契合；在高煤油當(dāng)量比狀態(tài)下，激波串已完全移動(dòng)至凹槽前緣壁面上游，火焰基底仍穩(wěn)定在凹槽剪切層內(nèi)，燃燒反應(yīng)主要發(fā)生在凹槽回流區(qū)上方的剪切層或主流流場(chǎng)內(nèi)。按照Wang等[9]的劃分方法，在低煤油當(dāng)量比狀態(tài)下，燃燒穩(wěn)定模式為聯(lián)合凹槽剪切層/回流區(qū)穩(wěn)定燃燒模式，而在中、高煤油當(dāng)量比狀態(tài)下，燃燒穩(wěn)定模式為凹槽剪切層穩(wěn)定燃燒模式。

(a) ERk=0.18

(b) ERk=0.33

(c) ERk=0.41

Fig.16Combinationsofthestreamlineandcombustionluminosityatspanwisecenterlineofthecombustor

(a) 流線(xiàn)與kerosene-PLIF圖像

(b) 流線(xiàn)與OH & kerosene-PLIF圖像

Fig.17CombinationsofthestreamlineandPLIFatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.18

(a) 流線(xiàn)與kerosene-PLIF圖像

(b) 流線(xiàn)與OH & kerosene-PLIF圖像

Fig.18CombinationsofthestreamlineandPLIFatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.33

(a) 流線(xiàn)與kerosene-PLIF圖像

(b) 流線(xiàn)與OH & kerosene-PLIF圖像

Fig.19CombinationsofthestreamlineandPLIFatspanwisecenterlineofthecombustorinthecaseofERk=0.41

結(jié)合以上試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬結(jié)果，分析了雙模態(tài)超聲速燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定機(jī)制，得到了圖20中的火焰穩(wěn)定機(jī)制示意圖。液態(tài)煤油自凹槽上游的下壁面垂直噴入燃燒室內(nèi)，隨后經(jīng)歷霧化、蒸發(fā)、混合過(guò)程。受煤油液滴穿透深度、高速氣流混合效率的限制，煤油并未與主流空氣進(jìn)行充分的混合，主要分布在靠近下壁面(煤油噴射壁面)的流場(chǎng)中。通過(guò)凹槽剪切層與凹槽回流區(qū)間的相互作用，高溫燃燒產(chǎn)物被輸運(yùn)至回流區(qū)。緊貼凹槽回流區(qū)中的高溫產(chǎn)物為剪切層中的空氣-煤油混合氣體提供了穩(wěn)定的點(diǎn)火源，使得火焰基底能夠穩(wěn)定在剪切層內(nèi)并以相對(duì)固定的角度向主流流場(chǎng)中傳播。

圖20 火焰穩(wěn)定機(jī)制示意圖

3 結(jié) 論

在來(lái)流總溫1085K、進(jìn)口馬赫數(shù)2.0下進(jìn)行了煤油燃料燃燒試驗(yàn)，采用高速攝像觀測(cè)了火焰的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，采用PLIF觀測(cè)了煤油和OH的分布，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析了燃燒室的火焰穩(wěn)定模式，得到如下結(jié)論：

(1) 在射流下游區(qū)域和凹槽區(qū)域，煤油熒光逐漸減弱，而OH熒光則展現(xiàn)出較大梯度，這表明大量的OH產(chǎn)生和燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。高速攝像得到的火焰邊界表明：燃燒室內(nèi)的燃燒穩(wěn)定模式均為凹槽火焰穩(wěn)定模式，并且隨著燃料當(dāng)量比的增加，火焰?zhèn)鞑ソ嵌燃盎鹧嫦蛑髁鞯拇┩父叨仍黾樱鹧孀罡唿c(diǎn)的軸向位置向流場(chǎng)下游移動(dòng)。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(2) 在低煤油當(dāng)量比狀態(tài)下，OH主要集中在凹槽剪切層內(nèi)的層狀區(qū)域內(nèi)，與凹槽剪切層相契合；在中等和高煤油當(dāng)量比狀態(tài)下，凹槽從“開(kāi)式凹槽”轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴]式凹槽”，火焰基底仍穩(wěn)定在凹槽剪切層內(nèi)，但燃燒區(qū)的走向、位置與凹槽剪切層并不契合。

(3) 液態(tài)煤油自凹槽上游的下壁面垂直噴入燃燒室內(nèi)，隨后經(jīng)歷霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒過(guò)程。通過(guò)凹槽剪切層與凹槽回流區(qū)間的相互作用，高溫燃燒產(chǎn)物被輸運(yùn)至回流區(qū)。緊貼凹槽回流區(qū)中的高溫產(chǎn)物為剪切層中的空氣-煤油混合氣體提供了穩(wěn)定的點(diǎn)火源，使得火焰基底能夠穩(wěn)定在剪切層內(nèi)并以相對(duì)固定的角度向主流流場(chǎng)中傳播。