馬 元，鄒 剛，孔光明，孫 靜，王文鵬，張宇坤

( 海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266100)

相比于傳統(tǒng)的等壓燃燒方式，爆震燃燒具有熵增低、自增壓以及更高的熱循環(huán)效率等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Rotating Detonation Engine，RDE)是基于爆震燃燒的一種動(dòng)力裝置，它利用爆震波在環(huán)形燃燒室內(nèi)的一端連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳播，爆震產(chǎn)物從另一端開口處高速排出并產(chǎn)生連續(xù)推力。由于RDE沒有壓氣機(jī)、渦輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，故相比于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、研制成本低的特點(diǎn)。此外，RDE還具有大比沖、高推重比、寬工作范圍等性能優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于開發(fā)新型高效航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)極具吸引力[1-2]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)爆震燃燒室的流場(chǎng)特性和爆震旋轉(zhuǎn)機(jī)理等進(jìn)行了探索和研究并取得了一定的進(jìn)展[3-18]。姜宗林等[3]總結(jié)了氣相規(guī)則胞格爆震波傳播與起爆現(xiàn)象的相關(guān)研究進(jìn)展，系統(tǒng)研究了氣相規(guī)則胞格爆震波起爆和傳播統(tǒng)一框架的幾個(gè)基本要素。滕宏輝等[4]采用數(shù)值模擬研究了氫氣-空氣混合物中二維斜爆震波的起始特性，分析了入口壓力和馬赫數(shù)對(duì)起始結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度的影響。王兵等[5]總結(jié)了有關(guān)爆炸、爆震及DDT的研究，討論了抑制管道內(nèi)爆炸和爆震的被動(dòng)/主動(dòng)或混合方法。謝橋峰等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了氫氣-空氣旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室內(nèi)貧油條件下的燃燒特性，得到了快速爆燃，不穩(wěn)定爆震、準(zhǔn)穩(wěn)定爆震和穩(wěn)定爆震等傳播模態(tài)，并給出了各傳播模態(tài)的影響因素和特點(diǎn)，對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。Yi等[7]研究了噴管形狀、擴(kuò)張角和長(zhǎng)度對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。Schwer等[8-9]首次在數(shù)值模擬中將噴注腔與噴注孔考慮在內(nèi)，對(duì)比研究了理想噴注模型與噴孔噴注模型RDE內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能的差異，并通過改變微型噴注孔的形狀及角度探索燃燒室爆震波對(duì)噴注腔壓力的影響規(guī)律。劉世杰等[10-11]模擬研究了旋轉(zhuǎn)爆震波的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和自持機(jī)理，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸小于臨界值時(shí)無法成功起爆。姜孝海等[12]采用9組分19步的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明爆震波作用后，受高溫膨脹及離心力等作用，產(chǎn)物擠向外壁，形成了一定的密度或壓力梯度。邵業(yè)濤等[13]采用兩步反應(yīng)模型在矩形計(jì)算區(qū)域內(nèi)模擬了爆震波的多個(gè)循環(huán)過程。馬虎等[14-15]基于Fluent軟件分析了旋轉(zhuǎn)爆震波的二維結(jié)構(gòu)、入口總壓、外界反壓和燃燒室長(zhǎng)度對(duì)RDE性能的影響。周蕊[16-17]通過對(duì)噴入流場(chǎng)中的粒子進(jìn)行追蹤，對(duì)影響粒子軌跡及其物理參量變化的主要因素進(jìn)行了分析，得到的RDE熱效率約為35.4%，并發(fā)現(xiàn)燃燒室半徑過大不利于爆震波的穩(wěn)定傳播，波頭高度會(huì)周期性變化，采用多個(gè)波頭起爆能夠降低或消除大尺寸燃燒室內(nèi)爆震波不穩(wěn)定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不利影響。李寶星等[18]通過二維數(shù)值模擬研究了進(jìn)氣總壓對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震波的影響，獲得了燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和爆震波傳播特性，對(duì)不同進(jìn)氣總壓條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震性能進(jìn)行了計(jì)算。

早期研究大都針對(duì)氣態(tài)燃料，隨著研究的深入，液態(tài)燃料的旋轉(zhuǎn)爆震逐漸引起了人們的關(guān)注。在實(shí)際工程應(yīng)用中受到重量和空間的限制，應(yīng)用液態(tài)燃料更有優(yōu)勢(shì)。與氣態(tài)燃料相比，液態(tài)燃料具有更高的密度比沖，相同體積下具有更高的沖量。鄭權(quán)等[19]對(duì)汽油為燃料，富氧空氣為氧化劑的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了不同當(dāng)量比和不同汽油噴注壓力下爆震波的傳播特性，其中爆震波傳播頻率為2.1～2.4 kHz，傳播速度為1 022.2～1 171.8 m/s。王迪等[20-21]針對(duì)兩相連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注器霧化混合、兩相爆震起爆與發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車試驗(yàn)情況進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)俄羅斯、法國(guó)、波蘭在兩相連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的試驗(yàn)研究情況進(jìn)行了論述，對(duì)不同構(gòu)型噴注器工作過程與性能、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起爆以及不同工質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)情況進(jìn)行總結(jié)與分析。通過試驗(yàn)得到爆震波的時(shí)域、頻域特征，對(duì)兩相連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室中爆震波的起爆過程和穩(wěn)定后的傳播過程進(jìn)行了研究。馬元[22]以汽油為燃料，空氣為氧化劑，開展吸氣式氣液兩相RDE的試驗(yàn)研究，分析了當(dāng)量比、空氣噴注總溫、空氣噴注環(huán)縫、噴管等對(duì)氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆震波傳播的影響。

上述學(xué)者的數(shù)值研究主要考察了氣態(tài)燃料下的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，國(guó)內(nèi)外對(duì)液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬較少。兩相RDE出口流場(chǎng)均勻性對(duì)后續(xù)加裝的渦輪或噴管的設(shè)計(jì)具有重要的意義，而目前尚未有相關(guān)研究發(fā)表。本文對(duì)以辛烷為燃料、空氣為氧化劑的氣液兩相旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用DPM模型計(jì)算辛烷液滴的軌跡，模擬非預(yù)混條件下的旋轉(zhuǎn)爆震波工作過程。對(duì)非預(yù)混噴注下兩相RDE的影響因素進(jìn)行了研究，得到了空氣總溫與噴注均勻性對(duì)RDE出口流場(chǎng)均勻性的影響，為以后兩相RDE的深入研究提供參考。

1 數(shù)值方法和物理模型

本文利用商業(yè)軟件FLUENT，基于密度基求解器求解二維非穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均的N-S控制方程；對(duì)流項(xiàng)采用三階MUSCL格式離散，該格式對(duì)激波的捕捉具有較高的精度；物理通量采用AUSM矢通量分裂法進(jìn)行分解；時(shí)間項(xiàng)采用四階龍格-庫(kù)塔法；采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。以辛烷為燃料，空氣為氧化劑，化學(xué)反應(yīng)方程式為C8H18+12.5(O2+3.76N2)→8CO2+9H2O+47N2。DPM模型考慮顆粒的耦合傳熱/傳質(zhì)，考慮薩夫曼升力和壓力梯度力等附加力，考慮液滴的破碎、蒸發(fā)等物理過程，射流源采用組射流源。

1.1 模型和邊界條件

旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室為柱狀環(huán)型燃燒室，相比于燃燒室的直徑，環(huán)形厚度相對(duì)較小，故將三維環(huán)形域簡(jiǎn)化成二維計(jì)算域是合理的。因此為減少計(jì)算量節(jié)約成本，本文將燃燒室沿母線展開燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)簡(jiǎn)化成二維矩形計(jì)算區(qū)域，尺寸為200 mm×50 mm，圖1中給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1(x=100 mm，y=49 mm)的位置。本文網(wǎng)格尺度為0.5 mm×0.5 mm，為均勻正交網(wǎng)格。

圖1 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室二維計(jì)算域示意圖

本文計(jì)算域入口邊界的質(zhì)量通量為100 kg/m2/s，空氣總溫為300～800 K，見表1所示。計(jì)算域的下邊界為壓力出口邊界，分兩種情況：當(dāng)出口為亞音速時(shí)，邊界點(diǎn)壓力等于外界反壓，而其他守恒變量由內(nèi)部流場(chǎng)外推得到，外界反壓為0.1 MPa。當(dāng)出口為超音速時(shí)，所有守恒變量由內(nèi)部區(qū)域外推得到。左右邊界定義為周期邊界，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

辛烷液滴的直徑為0.02 mm，初始溫度300 K，噴射速度20 m/s，辛烷的射流間距見表2所示，其中Case 15為理想均勻噴注。辛烷的總質(zhì)量通量為6.667 kg/m2/s，總當(dāng)量比為1。

表1 不同空氣噴注總溫(辛烷射流間距為2 mm)

表2 不同辛烷射流間距(空氣噴注總溫300 K)

1.2 數(shù)值驗(yàn)證

圖2(a)為Case 5下爆震波穩(wěn)定傳播時(shí)的溫度分布云圖，其中A是接近入口附近沿周向傳播的橫向爆震波，B是爆震波頭部產(chǎn)生的斜激波，C是滑移線，即新的爆震產(chǎn)物與上一循環(huán)的爆震產(chǎn)物形成的接觸間斷面，D是爆震產(chǎn)物與新鮮反應(yīng)物的接觸面，E是新噴入的新鮮反應(yīng)物，為旋轉(zhuǎn)爆震的傳播提供燃料。圖2(b)為 Bykovskii等[23]實(shí)驗(yàn)獲得的旋轉(zhuǎn)爆震波結(jié)構(gòu)，可以看出數(shù)值模擬的燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性一致。

圖2 Case 5的溫度云圖與Bykovskii實(shí)驗(yàn)照片

圖3為Case 15監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1的壓力和溫度時(shí)程曲線。由圖3可知，在爆震波穿過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，壓力均呈現(xiàn)急升緩降的特點(diǎn)，每個(gè)周期的壓力峰值基本保持不變，表明爆震波處于穩(wěn)定傳播狀態(tài)，且壓力曲線與溫度曲線吻合較好，表明爆震陣面上激波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)高度耦合。計(jì)算得到平均峰值壓力為4.89 MPa，平均峰值溫度為 2 898 K，爆震波的平均傳播速度為1 649 m/s。與用Chemical Equilibrium with Application(簡(jiǎn)稱CEA)計(jì)算得到的爆震波理論C-J壓力、C-J溫度和C-J速度的相對(duì)誤差分別為 -5.48%、-0.67%、-8.84%。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1的壓力和溫度曲線

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在數(shù)值方法準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，本文對(duì)二維RDE流場(chǎng)進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。計(jì)算域?yàn)閳D4所示二維計(jì)算域，網(wǎng)格尺度分別為1.0 mm、0.5 mm和0.25 mm，工況條件為 Case 5。由上節(jié)爆震波參數(shù)驗(yàn)證表明0.5 mm的網(wǎng)格計(jì)算精度可以接受，本文不再對(duì)爆震波參數(shù)方面的網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行贅述。

圖4 不同網(wǎng)格尺度下燃燒室內(nèi)溫度云圖

圖4為不同網(wǎng)格尺度下的燃燒室內(nèi)溫度云圖，由圖4(a)可以看出，在網(wǎng)格尺度1.0 mm下，流場(chǎng)特征非常不明顯，如燃燒產(chǎn)物與新鮮反應(yīng)物的接觸斷面、滑移線、斜激波等均不穩(wěn)定，無法滿足流場(chǎng)分析的要求。由圖4(b)和圖4(c)可知，網(wǎng)格尺度0.5 mm和網(wǎng)格尺度0.25 mm下流場(chǎng)特征均非常明顯，爆震波、斜激波及接觸斷面等都很清晰。與 0.5 mm 下的流場(chǎng)相比，0.25 mm下的流場(chǎng)細(xì)節(jié)特征更加明顯，如爆震波后辛烷射流對(duì)流場(chǎng)的影響更加清晰，爆震產(chǎn)物與新鮮反應(yīng)物的接觸面及滑移線等更加穩(wěn)定，但采用DPM模型增加網(wǎng)格量會(huì)極大的減緩計(jì)算速度，由于本分不考慮流場(chǎng)內(nèi)特別精細(xì)的結(jié)構(gòu)，0.5 mm網(wǎng)格下的流場(chǎng)精度也能滿足要求。

綜上所述，1.0 mm網(wǎng)格計(jì)算精度很差，本文不采用，0.5 mm 網(wǎng)格下的精度和計(jì)算速度均能滿足要求，0.25 mm網(wǎng)格計(jì)算精度最高，但計(jì)算速度太慢，受實(shí)際計(jì)算資源所限，無法滿足大量工況的計(jì)算，因此本文數(shù)值計(jì)算均采用0.5 mm的網(wǎng)格。

可見，本文采用的數(shù)值方法可行，計(jì)算精度可以接受，后續(xù)的算例均采用該方法。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)

為表征兩相燃燒室某截面的壓力分布均勻性，引入相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV，均勻性評(píng)價(jià)指數(shù)γP，克里斯琴森均勻系數(shù)CU，現(xiàn)分別介紹這些均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

CV表征相對(duì)變異量的度量，為無量綱值，可以用來衡量均值顯著不同的總體離散性，也可用來比較流場(chǎng)均勻性的改善程度：

(1)

(2)

(3)

克里斯琴森均勻系數(shù)CU是克里斯琴森1942年提出的，是基于平均偏差的統(tǒng)計(jì)量，能夠直接反應(yīng)被測(cè)參數(shù)與平均值的偏差程度，CU值越大，表明被測(cè)截面的壓力分布均勻性越好。其表達(dá)式為

(4)

為表征燃燒室出口溫度分布均勻性，現(xiàn)引入燃燒室出口溫度分布系數(shù)(Outlet Temperature Distribution Factor，簡(jiǎn)稱OTDF)，其是衡量燃燒室出口溫度分布好壞的重要標(biāo)志。它定義為燃燒室出口界面內(nèi)最高燃?xì)饪倻嘏c燃?xì)馄骄倻刂钆c燃燒室溫升的比值，定義式如式(5)所示，其中Tout_m為出口截面最高溫度，Tin_ave和Tout_ave分別為燃燒室進(jìn)、出口平均溫度。

(5)

2.2 空氣噴注總溫

圖5給出了燃燒室出口處總壓的CU值、1-CV值隨著空氣噴注總溫的變化趨勢(shì)。由圖5可知，出口總壓的CU值、1-CV值均隨空氣噴注總溫的提高而提高，兩均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)趨勢(shì)一致，均指明隨著空氣噴注總溫的提高，出口總壓的均勻性也隨之提高，CU值從0.363 2提高至0.477 8，提高了0.114 6，1-CV值從0.194 4提高至0.322 2，提高了0.127 8，提升數(shù)值接近。為探究空氣噴注總溫提高，出口壓力均勻性提高的原因，給出了不同噴注總溫下出口截面的總壓分布，如圖6所示。

圖5 不同空氣噴注總溫下燃燒室出口截面總壓CU值、1-CV值曲線

圖6 不同空氣噴注總溫下燃燒室出口截面處總壓分布曲線

由圖6可知，隨著空氣噴注總溫的提高，出口總壓峰值變化不大，但總壓上升至峰值的坡度卻不斷變緩，整體因此變得更加均勻。同時(shí)，單波模態(tài)下出口總壓存在兩個(gè)峰值，現(xiàn)給出了Case 1的總壓云圖，由圖7(a)可知：出口總壓的主峰值位于流場(chǎng)的滑移線附近，次峰值位于斜激波處。圖7(b)給出了該時(shí)刻下的氧氣組分分布，由圖可知，滑移線附近是未參與爆震反應(yīng)的空氣的富集區(qū)，這是由于該工況為非均勻噴注，空氣不能充分參與爆震反應(yīng)，剩余的空氣在斜激波的壓縮作用下流入滑移線附件區(qū)域。該區(qū)域溫度較低，而滑移線附近爆震產(chǎn)物流速是均勻變化的，因溫度降低而導(dǎo)致該區(qū)域馬赫數(shù)較高，如圖7(c)所示，滑移線附近區(qū)域?yàn)槿剂鲜覂?nèi)馬赫數(shù)最高的區(qū)域，而高的馬赫數(shù)使得該區(qū)域燃燒產(chǎn)物總壓較大，即為出口總壓的主峰值區(qū)域。斜激波處的出口總壓較高是由于該處的反應(yīng)產(chǎn)物受到了斜激波的壓縮作用，使其出口總壓增高。由圖6可知：無論是出口總壓的主峰值和次峰值，隨空氣噴注總溫的提高均變化不大，影響出口總壓均勻性的主要因素是主峰值之后，次峰值之前的燃燒產(chǎn)物出口總壓的均勻性。隨著空氣噴注總溫的提高，該部分燃燒產(chǎn)物出口總壓均勻性變好的主要原因可能是隨著空氣噴注總溫的提高，波前氣態(tài)辛烷含量更高且反應(yīng)混合物活性更高，致使爆震波強(qiáng)度更高，相同條件下爆震產(chǎn)物的出口總壓更高，而出口總壓的峰值隨空氣噴注總溫的變化不大，因此出口總壓分布更加均勻。

圖 7 Case#1燃燒室內(nèi)總壓、氧氣組分及馬赫數(shù)分布云圖

圖8為OTDF值以及出口平均總溫隨空氣噴注總溫的變化趨勢(shì)。由圖可知，隨著空氣噴注總溫從300 K提高至800 K，OTDF值從0.652 6降低至0.402 7，呈不斷下降趨勢(shì)，即燃燒室出口總溫分布越來越均勻。為分析出口總溫均勻性隨空氣噴注總溫提高而變好的原因，給出了不同空氣噴注總溫下燃燒室出口總溫分布，如圖9所示。由圖可知，不同空氣噴注總溫下的出口總溫分布曲線均存在一個(gè)峰值平臺(tái)及一個(gè)低洼，圖10給出了空氣噴注總溫300 K下的總溫云圖，兩圖對(duì)照可知，出口總溫分布曲線低洼處為滑移線附近區(qū)域，由圖7(b)可知，未參與爆震燃燒的空氣在斜激波的作用下在此區(qū)域匯集，導(dǎo)致該區(qū)域總溫較低，導(dǎo)致出口總溫分布曲線形成了一個(gè)低洼；出口總溫分布曲線的峰值平臺(tái)為斜激波與爆震燃燒產(chǎn)物相交的一塊三角形區(qū)域，爆震燃燒產(chǎn)物受斜激波的絕熱壓縮作用總溫迅速提高，致使出口總溫分布曲線出現(xiàn)了一個(gè)峰值平臺(tái)。圖8給出了出口總溫的平均值隨空氣噴注總溫的變化趨勢(shì)，可知隨著空氣噴注總溫的增加，出口總溫的平均值呈線性遞增的趨勢(shì)，由圖9可知，隨著空氣噴注總溫的提高，出口總溫的整體值均不斷提高，但出口總溫極大值與極小值的差值卻不斷降低，空氣噴注總溫300 K時(shí)極值差為1 711 K，空氣噴注總溫800 K時(shí)極值差降為1 233 K；同時(shí)，主峰值與次峰值的差值也在不斷降低，空氣噴注總溫為300 K、400 K、700 K、800 K下的出口總溫主次峰值差依次為649 K、540 K、411 K、245 K，隨著空氣噴注總溫的增加不斷降低。燃燒室出口總溫分布均勻性隨空氣噴注總溫的增加而增加的原因應(yīng)為： 斜激波處三角形區(qū)域的總溫隨空氣噴注總溫的增加而增加，但增加幅度遠(yuǎn)沒有平均總溫增加的幅度大；滑移線處低總溫區(qū)隨空氣噴注總溫的增加而增加，且增加幅度遠(yuǎn)超平均總溫的增加幅度；斜激波處三角形區(qū)域的峰值總溫與滑移線邊緣處的次峰值總溫之差隨著空氣噴注總溫的提高而不斷減小。這些原因共同導(dǎo)致了提高空氣噴注總溫能有效提高出口總溫分布均勻性。

圖8 OTDF值及出口平均總溫隨空氣噴注總溫變化曲線

圖9 不同空氣噴注總溫下燃燒室出口總溫分布曲線

圖10 Case#1燃燒室內(nèi)總溫云圖

2.3 辛烷射流間距

圖11給出不同辛烷射流間距下的燃燒室出口截面總壓CU值和1-CV值，由圖可知，兩均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)趨勢(shì)一致，隨著辛烷射流間距增大，CU及1-CV均隨之增大，隨著辛烷射流間距從0 mm增加至8 mm，CU值從0.308 7增加至 0.446 7，增加了0.138，1-CV值從0.100 5增加至0.318 6，增加了0.218 1。兩指標(biāo)均表征隨著辛烷射流間距增大，燃燒室出口總壓均勻性變好。圖12為不同辛烷射流間距下的燃燒室出口總壓分布，由圖可知，與上文分析類似，總壓分布曲線存在兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)著滑移線附近和斜激波附近的出口總壓，隨著辛烷射流間距的減小，總壓主峰值越來越大，曲線越來越陡峭，而次峰值變化較小，因此改變辛烷射流間距主要是影響主峰值，即滑移線附近的出口總壓而影響整個(gè)出口總壓的穩(wěn)定性的。圖13給出了滑移線附近的馬赫數(shù)和總壓隨辛烷射流間距的變化趨勢(shì)，該區(qū)域的馬赫數(shù)和總壓也是整個(gè)出口截面的峰值馬赫數(shù)和峰值總壓，可以看到，峰值馬赫數(shù)和峰值總壓均隨辛烷射流間距增大而減小，兩者趨勢(shì)一致，在其余條件基本不變的情況下，馬赫數(shù)越高，總壓越大。因此，增大辛烷間距能改善出口總壓均勻性的原因應(yīng)是：增大辛烷間距，滑移線附近馬赫數(shù)減小，導(dǎo)致總壓減小，而斜激波附近的總壓變化較小，進(jìn)而使得整個(gè)出口截面的總壓均勻性增加。

圖11 不同辛烷射流間距下的燃燒室出口截面總壓CU值、1-CV值曲線

圖12 不同辛烷射流間距下的燃燒室出口總壓分布曲線

圖13 出口峰值馬赫數(shù)與峰值總壓隨辛烷射流間距變化曲線

圖14為OTDF值隨辛烷射流間距的變化趨勢(shì)。由圖可知，隨著辛烷射流間距從0提高至8 mm，OTDF值從0.583 5降低至0.703 0，呈不斷下降趨勢(shì)，即燃燒室出口總溫分布越來越均勻。由此可知，燃料噴注均勻性能影響燃燒室出口總溫均勻性，燃料噴注均勻性越好，燃燒室出口總溫均勻性越好。

圖14 OTDF值隨辛烷射流間距變化曲線

3 結(jié)論

采用均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)CU，1-CV描述了空氣噴注總溫和辛烷射流間距對(duì)燃燒室出口總壓均勻性的影響，空氣噴注總溫和辛烷射流間距越大，燃燒室出口總壓均勻性越好。燃燒室出口截面總壓分布曲線存在著兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)著滑移線附近區(qū)域和斜激波附近區(qū)域。改變空氣噴注總溫，影響出口總壓均勻性的主要因素是主峰值之后，次峰值之前的燃燒產(chǎn)物出口總壓的均勻性；改變辛烷射流間距主要是影響主峰值，即滑移線附近的出口總壓進(jìn)而影響整個(gè)出口總壓的穩(wěn)定性。采用燃燒室出口溫度分布系數(shù)OTDF描述了空氣噴注總溫和射流間距對(duì)燃燒室出口總溫均勻性的影響，空氣噴注總溫越高，射流間距越小，燃燒室出口總溫均勻性越好，并得出了增大辛烷間距能改善出口總溫均勻性的原因應(yīng)是：增大辛烷間距，滑移線附近馬赫數(shù)減小，導(dǎo)致總溫減小，而斜激波附近的總溫變化較小，進(jìn)而使得整個(gè)出口截面的總溫均勻性增加。