壁面孔型對超聲速氣流中噴注特性的影響

蔡鋒娟，張 玫，張蒙正

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

壁面孔型對超聲速氣流中噴注特性的影響

蔡鋒娟，張 玫，張蒙正

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

超聲速氣流中，燃料與來流空氣的高效混合是燃燒室實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火、穩(wěn)焰及高效燃燒組織的前提。國內(nèi)外研究者已對比研究了不同壁面孔型對超聲速氣流中噴注、混合特性的影響，相比于最常見的圓形噴孔，菱形、楔形-半圓、箭形及針形等噴孔用于超聲速氣流燃料噴注時(shí)，不僅有利于降低噴孔前緣邊界層的分離，而且也有利于提升射流穿透深度；相比于單孔噴注，組合型噴孔能進(jìn)一步增強(qiáng)燃料與來流空氣在射流遠(yuǎn)場的混合效果。通過綜述各型噴孔的噴注特性，分析提出了適用于超聲速燃燒組織的壁面噴注孔型及其工程應(yīng)用條件。

超聲速氣流；壁面孔型；噴注特性

0 引言

超聲速氣流中，燃料在燃燒室中的停留時(shí)間為毫秒量級，燃料與來流空氣的混合擴(kuò)散過程相對較慢，如何在盡可能短的時(shí)間內(nèi)促進(jìn)、增強(qiáng)燃料與空氣混合是超聲速燃燒組織面臨的一大難題。支板噴注方式可以有效將燃料帶入主流，使其較為均勻的散布于超聲速氣流中，在短距離內(nèi)與來流氣體完成高效混合與燃燒。但缺點(diǎn)在于：發(fā)動機(jī)長時(shí)間工作時(shí)，需要考慮支板的熱防護(hù)問題；同時(shí)，支板對主流的阻礙、擾動作用大，會產(chǎn)生較大的總壓損失。壁面噴注方式結(jié)構(gòu)簡單、總壓損失小、不存在熱防護(hù)問題，備受國內(nèi)外研究者青睞，但需重點(diǎn)解決燃料在超聲速氣流中的穿透深度問題。本文依據(jù)超聲速氣流中射流霧化特點(diǎn)，重點(diǎn)綜述了不同構(gòu)型的壁面噴孔噴注特性，在此基礎(chǔ)上分析提出了適用于超聲速燃燒組織的壁面噴注孔型及其工程應(yīng)用條件。

1 超聲速氣流中各種壁面噴注的特性

圖1給出了超聲速氣流中液體射流破碎過程的物理示意圖[1]。

射流垂直進(jìn)入超聲速氣流產(chǎn)生弓形激波H，射流根部出現(xiàn)分離激波J。氣動力作用下射流在A區(qū)向下游彎曲，自當(dāng)?shù)芈曀冱c(diǎn)G開始破碎。射流首先在B區(qū)破碎成較大不規(guī)則液塊，進(jìn)入C區(qū)后進(jìn)一步破碎成較小的液塊，最后在D區(qū)霧化成細(xì)小的球形液滴，射流在破碎和霧化過程中擴(kuò)散范圍逐漸增大。射流表面存在表面波I，波幅沿流向增大，表面波加速了射流的破碎和霧化[1]。

在射流破碎過程中，射流穿透深度是評估超聲速氣流中液體射流噴注混合特性的主要參數(shù)，射流與橫向超聲速來流的動量比決定著射流穿透深度的大小。針對超聲速氣流中不同構(gòu)型的壁面噴孔噴注特性，國內(nèi)外研究者已開展了大量研究工作。

1.1 圓形壁面噴孔

圓形噴孔是一種常見的壁面噴注形式，當(dāng)射流經(jīng)過該噴孔垂直進(jìn)入超聲速主流時(shí)，射流前緣將形成一道較強(qiáng)的脫體激波，對主流的擾動及其阻塞作用均較強(qiáng)，由此會產(chǎn)生一定程度的總壓損失。

文獻(xiàn) [3]研究結(jié)果表明：對于圓形噴孔，射流穿透深度隨動壓比的增加而增加，當(dāng)動壓比從1.55提升到6.48時(shí)，距噴孔下游90 mm處的穿透深度僅從4.9 mm增加到6.2 mm。僅僅依靠提高動壓比來增大圓形噴孔的穿透深度，效果非常有限，但由此誘導(dǎo)出的高強(qiáng)度弓形激波將引起更大的總壓損失，反而得不償失。鑒于此，很多研究者擬通過噴孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變噴孔周圍的局部流動和激波結(jié)構(gòu)來提升穿透深度。

1.2 菱形壁面噴孔

文獻(xiàn) [4]采用氫氣作為噴注介質(zhì)，對比研究了圓形噴孔和菱形噴孔在超聲速氣流中氣動特性、穿透深度等差異性。結(jié)果表明：1） 距離噴孔下游40 mm截面上，2種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的射流在超聲速主流中的氫氣分布都呈現(xiàn)出類似于半橢圓的形狀，不同的是采用菱形孔時(shí)，射流前的激波強(qiáng)度減弱，總壓損失降低，使得氫氣沿著高度方向擴(kuò)散更明顯，在短時(shí)間內(nèi)能夠擴(kuò)散到燃燒室中部以上；2）在距離噴孔下游140 mm的截面上，兩者對應(yīng)的氫氣分布呈現(xiàn)出較大差異，其中，菱形孔對應(yīng)氫氣分布呈現(xiàn)出較完整的橢圓結(jié)構(gòu)，氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)核心區(qū)已上升到燃燒室高度3/4處，圓孔噴射對應(yīng)氫氣分布呈現(xiàn)出上窄下寬的“瓜子"形結(jié)構(gòu)，氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)核心區(qū)僅上升到燃燒室高度1/2處。

1.3 楔形-半圓壁面噴孔

文獻(xiàn) [5]和文獻(xiàn) [6]中提出了一種“楔形－半圓”構(gòu)型的壁面噴孔，如圖2所示。研究中采用氦氣模擬燃料介質(zhì)，在相同主流條件下（Ma=3），對比研究了該構(gòu)型與圓形噴孔（d=3.45 mm） 在超聲速氣流中噴注特性的差異。

結(jié)果表明：1） 與圓形孔相比，“楔形－半圓”噴孔能降低噴孔前緣邊界層的分離，該結(jié)論在文獻(xiàn) [7]中也得到了驗(yàn)證；2） “楔形－半圓”噴孔在超聲速氣流中對應(yīng)的穿透深度較大，射流在向下游發(fā)展過程中，穿透深度增長速率也較快；3）相比于圓形噴孔，“楔形－半圓”噴孔產(chǎn)生的射流在向下游發(fā)展過程中，對應(yīng)的射流橫截面積增長率較大，有利于改善燃料與主流的摻混性能。

1.4 箭形壁面噴孔

文獻(xiàn) [7]提出了如圖3所示的箭形噴孔，將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于燃料噴注時(shí)，噴孔后部易形成一個(gè)較大的低壓區(qū)，進(jìn)而誘導(dǎo)出強(qiáng)回流區(qū)，有利于火焰穩(wěn)定。

圖4給出了噴孔下游某截面對應(yīng)的噴注介質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)分布曲線，可以看出：相比于圓形噴孔，箭形孔穿透距離較遠(yuǎn)，兩者的最大摩爾分?jǐn)?shù)值相當(dāng)，即羽流擴(kuò)散程度相差較小。

從1.1～1.4節(jié)的論述中可以看出，與前部鈍緣結(jié)構(gòu)的圓形噴孔相比，不管是菱形、楔形-半圓還是箭形噴孔，這類前部為銳緣構(gòu)型的噴孔有利于提升射流穿透深度。分析機(jī)理認(rèn)為：前部銳緣型噴孔產(chǎn)生的射流在超聲速主流中，前端形成的是附體激波，在射流面積相同的前提下，附體激波后氣流壓升低，阻力小，進(jìn)而對應(yīng)的射流穿透深度較大。

在優(yōu)選前端銳緣構(gòu)型的噴孔后，文獻(xiàn) [7]進(jìn)一步研究了不同銳緣角度對射流穿透深度的影響。結(jié)果表明：前緣角度越小，對主流的擾動越小，穿透深度越大。在此研究基礎(chǔ)上，保證穿透深度的前提下，為進(jìn)一步降低射流對主流的擾動，K.Hirano等人提出了如圖5所示的針形噴孔結(jié)構(gòu)。

1.5 針形壁面噴孔

在相同噴孔面積和噴注流量下，與圓形噴孔相比，針形孔展示出更好的穿透性能和混合性能，尤其在靠近噴注面區(qū)域內(nèi)，穿透深度增長速率非?？?。文獻(xiàn) [8]對針形孔在超聲速燃燒室中的燃燒性能也進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明：與圓形噴孔相比，針形孔對應(yīng)的燃料空氣摻混性能好，燃燒室燃燒效率高。此外，針形孔出口射流對主流擾動小，有效阻止了噴孔周邊的邊界層分離，使得燃料燃燒過程中沒有在噴孔周邊產(chǎn)生較強(qiáng)的過熱痕跡，如圖6所示。

1.6 組合型壁面噴孔

基于單個(gè)圓形噴孔射流噴注特性研究，文獻(xiàn)[9]對比了單股射流和多股射流噴注在穿透深度方面的差異性。結(jié)果表明：Ma=2.72來流條件下，相同截面上多股射流比單股射流的穿透深度提升了20%左右。在多股圓形噴孔射流的發(fā)展理念基礎(chǔ)上，提出了不同類型的組合型噴孔，其中，美國Aerojet公司研究設(shè)計(jì)的葉柵式噴注器具有很大優(yōu)勢，其噴孔構(gòu)型如圖7所示，沿來流方向布置一組長度不變、寬度逐漸增加的矩形噴孔，由此形成一定角度的楔形面結(jié)構(gòu)[10]。該噴孔利用分級噴注的原理，改變激波結(jié)構(gòu)，每級射流穿透深度呈階梯式、逐級增大的發(fā)展趨勢（圖8），噴注壓力提高，穿透深度增幅明顯（圖9）[11～13]。

2 壁面噴注的應(yīng)用分析

通過以上綜述可以看出，將最常見的圓形噴孔用于超聲速氣流中燃料噴注時(shí)，射流前緣會形成一道較強(qiáng)的脫體激波，分離區(qū)較大，僅通過提高動壓比的方式來增大射流穿透深度，效果非常有限。通過噴孔構(gòu)型設(shè)計(jì)，改變了噴孔周圍局部流動和激波結(jié)構(gòu)的菱形、楔形-半圓、箭形及針形等噴孔。一方面降低了噴孔前緣邊界層的分離；另一方面也提升了射流的穿透深度。相比于單孔噴注，組合型噴孔對應(yīng)的穿透深度更大，文獻(xiàn) [14]和文獻(xiàn) [15]的研究結(jié)果也表明，組合孔可以增強(qiáng)流場的展向渦量，燃料射流向流場下游發(fā)展過程中對應(yīng)的展向擴(kuò)展角和展向擴(kuò)展范圍也隨之增大，從而在射流遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)射流與來流空氣的高效混合，大大改善壁面噴注性能。綜上分析認(rèn)為，可將組合型壁面噴孔應(yīng)用于小尺度發(fā)動機(jī)燃燒組織。

對于大尺度發(fā)動機(jī)，壁面噴注方式對應(yīng)的射流穿透深度有限，燃料在燃燒室內(nèi)與空氣的摻混程度不能完全滿足燃燒組織需求。如果采用支板作為大尺度發(fā)動機(jī)的主要噴注方式，也需要在噴注位置布置多塊支板才能彌補(bǔ)其空間作用范圍的限制，由此會導(dǎo)致燃燒室通道阻塞率和總壓損失也隨之增大。分析認(rèn)為：在大尺度發(fā)動機(jī)應(yīng)用中，目前發(fā)展的壁面噴注方式還不能完全取代支板噴注。將壁面噴注與支板噴注方式結(jié)合使用，優(yōu)化兩者在燃燒室通道中的布局位置，可以弱化大尺度發(fā)動機(jī)對支板燃料噴注的需求和支板熱防護(hù)問題，確保燃油在燃燒室內(nèi)均勻散布，增強(qiáng)燃料與來流空氣的高效摻混，提升發(fā)動機(jī)的整體性能。

3 結(jié)束語

高效燃燒組織是超聲速動力系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)，燃料與來流空氣實(shí)現(xiàn)高效摻混是解決該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的前提條件。在多種壁面噴孔型式中，組合型壁面噴孔在提升穿透深度、改善噴注性能及工程應(yīng)用等方面具有明顯優(yōu)勢，可以作為后續(xù)研究的一個(gè)重要方向。此外，針對超聲速飛行器長時(shí)間工作需求，發(fā)動機(jī)采用主動冷卻方式時(shí)，兼顧氣液噴注的壁面噴孔構(gòu)型設(shè)計(jì)也是一個(gè)需要考慮的問題。

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（編輯：馬 杰）

Effects of different wall surface orifices on injection characteristics of supersonic air flow

CAI Fengjuan,ZHANG Mei,ZHANG Mengzheng
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

The efficient mixing of fuel jet and air flow in supersonic gas flow is a precondition to achieve ignition,flame stabilization and high efficiency combustion.The effects of different wall surface orifices on the injection and mixing characteristics have been studied by many researchers at homeand abroad.Compared with thecommon circularorifice,diamond-shaped orifice,wedge-semicircle shaped orifice,arrowhead shaped orifice and stinger-shaped orifice are beneficial to reduction of the boundary layer separation at orifice front edge,and improvement of the penetration depth of the jet flow.Compared with the single orifice injection,the combined orifice can further enhance the mixing effect of the fuel and the incoming air in far field.In this paper,the wall surface injection orifice and engineering application condition that apply to the supersonic combustion are proposed on the basis ofanalysis ofthe injection characteristics ofvarious orifices.

supersonic air flow;wall surface orifice;injection characteristics

V432-34

A

1672-9374(2017)04-0018-05

2016-08-29；

2017-02-28

國家863項(xiàng)目（2015AA0214）

蔡鋒娟（1985—），女，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榻M合推進(jìn)燃燒組織技術(shù)