超燃燃燒室肋片/凹腔組合結(jié)構(gòu)研究*。

楊文佳，高 峰，王應(yīng)洋，馬新鵬

(空軍工程大學(xué)， 西安 710051)

0 引言

超燃燃燒室是超燃沖壓發(fā)動機(jī)的重要組成部分。在超燃燃燒室中，要保證燃料在有限空間、極短時間以及復(fù)雜的流動狀態(tài)下完成與空氣摻混、燃燒等一系列物理化學(xué)變化，并且還要盡可能的減少發(fā)動機(jī)的性能損失。這是一項極具挑戰(zhàn)的工作，也是超燃沖壓發(fā)動機(jī)設(shè)計亟待解決的核心問題[1-3]。為改善燃燒室壁面直接噴注的流場特性，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)性能，國外學(xué)者對支板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造,提出肋片結(jié)構(gòu)，其能較大提高燃料穿透深度，增大摻混率，卻不會造成更大總壓損失,頗具應(yīng)用前景[4-6]。

Rose在2Ma來流條件下對三棱柱肋片后橫向射流進(jìn)行了試驗及數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的橫向噴流相比，肋片后方射流具有更高的穿透深度和更好的摻混效果[7]。Daniel等人采用NO-PLIF技術(shù)試驗研究了錐形肋片尺寸對其后方射流的影響：與平面噴流相比，所有的肋片能均產(chǎn)生更大的穿透深度，并且減小側(cè)向擴(kuò)散[8]。Pohlman M R設(shè)計了5種不同錐形肋片，針對肋片構(gòu)型對流場影響展開數(shù)值研究[9]。Aguilera通過冷流試驗發(fā)現(xiàn)：不同噴射動壓比對肋片的穿透增強(qiáng)效益影響較大；肋片能通過減弱射流前的弓形激波強(qiáng)度來降低總壓損失；能增強(qiáng)液體燃料破碎與蒸發(fā)的能力[10-12]。為進(jìn)一步提高遠(yuǎn)場摻混效率和穩(wěn)定火焰能力，研究人員將肋片與凹腔進(jìn)行組合，展開相關(guān)研究。Gruber R和Mitchell R等通過試驗研究和數(shù)值仿真研究了肋片與凹腔組合情況下肋片尺寸對燃燒室性能的影響[13-14]；Rama A.Balar對肋片后射流不同噴射角度的影響展開了深入研究[15]；國內(nèi)金勁睿研究了前置肋片對凹槽火焰穩(wěn)定器混合特性的影響：與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，前置肋片能減小總壓損失，增大射流的穿透深度，并獲得更為均勻的燃料分布[16]。目前，國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)較少，國外報導(dǎo)也更多的集中在肋片結(jié)構(gòu)尺寸等對燃燒室的影響，沒有深入分析肋片凹腔組合方式不同帶來的影響。為更全面的了解肋片凹腔結(jié)構(gòu)組合對燃燒室的影響，文中運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，深入分析了其組合結(jié)構(gòu)機(jī)理，并針對肋片凹腔組合結(jié)構(gòu)不同組合距離對超燃燃燒室增強(qiáng)摻混能力和減小總壓損失等的影響進(jìn)行了定性定量研究，為超燃沖壓發(fā)動機(jī)的設(shè)計改進(jìn)提供重要參考。

1 算例設(shè)置與網(wǎng)格劃分

1.1 模型與網(wǎng)格劃分

為深入研究肋片凹腔結(jié)構(gòu)不同組合距離對超燃燃燒室流場的影響，參考文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[17]設(shè)置了無肋片燃燒室以及肋片后緣與凹腔前緣距離分別為LC=4d、6d、8d、10d、14d六個算例，依次表示為case1至case6，其中d=1.4 mm。圖1為肋片凹腔距離LC=6d時超燃燃燒室的基本構(gòu)型。為排除其他因素干擾，文中超聲速燃燒室采用矩形截面自由通道構(gòu)型，由圖1可知，燃燒室高為25.4 mm，寬為24 mm，總長為180 mm，肋片高5.6 mm，距離燃燒室入口35 mm，。超燃燃燒室凹腔深度為D=14 mm，凹腔長度為L=42 mm，凹腔后緣角為45°。為方便建模與計算，噴孔采用邊長a=1.24 mm的正方形(面積與直徑d=1.4 mm的圓孔等效)，與肋片的距離為2d。算例來流馬赫數(shù)Ma=2，總壓Pt=850 kPa，靜壓p=108 kPa，總溫Tt=300 K，氣流成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)αO2=23.2%，αN2=76.8%，噴孔處乙烯噴射總壓Pt=20 000 kPa，靜壓p=1 400 kPa，總溫Tt=1 200 K。

圖1 燃燒室構(gòu)型示意圖(單位：mm)

用Fluent軟件進(jìn)行仿真求解，選擇肋片類噴注裝置數(shù)值模擬中用的較多的SSTκ-ω湍流模型，采用無滑移壁面。用ICEM對所有計算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并在肋片、噴孔以及凹腔壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，第一層網(wǎng)格節(jié)點距離壁面1×10-6m，各模型的網(wǎng)格數(shù)為300萬左右，圖2為肋片凹腔組合距離為LC=6d的超燃燃燒室網(wǎng)格示意圖。

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

文中對case3設(shè)置了4種不同密度網(wǎng)格來進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)分別為100萬、200萬、300萬和400萬。圖3即為不同網(wǎng)格下的算例的羽流質(zhì)量中心高度和總壓損失曲線圖。由圖3可知，在燃燒室前端，各曲線幾乎重合，及至凹腔附近，曲線才有了較為明顯的差異，這可能是因為凹腔附近流場更為復(fù)雜，因此在后續(xù)研究中可以在凹腔附近進(jìn)行適度的網(wǎng)格加密以提高計算準(zhǔn)確度。隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，曲線間的差異越來越小，300萬的曲線和400萬的曲線根式幾乎相同，因此，考慮到仿真精度要求與計算條件限制，此后的算例都采用300萬左右數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)。

圖2 燃燒室網(wǎng)格示意圖

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2 結(jié)果分析

2.1 肋片對超燃燃燒室性能的影響

圖4為燃燒室對稱截面壓力云圖，前者為無肋片算例case1云圖，其在噴孔附近產(chǎn)生較強(qiáng)激波，后者則為case3云圖，其激波主要產(chǎn)生于肋片上后緣。隨著來流運(yùn)動，兩者激波都經(jīng)壁面折射在燃燒室內(nèi)形成激波串。因激波能引起來流速度減小，故將導(dǎo)致產(chǎn)生總壓損失，對比發(fā)現(xiàn)，肋片結(jié)構(gòu)改變了激波產(chǎn)生的位置，后者的激波強(qiáng)度稍低于前者，燃燒室后端的激波串分布也幾乎沒受到影響，激波強(qiáng)度上后者稍大于前者，值得注意的是，后者能在肋片后產(chǎn)生一個更大的低壓區(qū)，這將對提高射流噴注高度和加速燃料與來流摻混帶來較明顯的優(yōu)勢。

圖4 壓力云圖

圖5分別是case1與case3算例X=25d、30d、35d、40d、45d、50d、60d、70d切面上當(dāng)量比0.4≤Φ≤5.5乙烯組分云圖與Φ=0.2等值線圖。云圖大小表征可燃混合區(qū)的面積，云圖外為當(dāng)量比Φ=0.2等值線，等值線包含范圍表征流場混合區(qū)的面積。由圖5可知，相同切片中，后者混合區(qū)的形狀更狹長，前者在X=70d切面處仍在凹腔下壁面存在當(dāng)量比大于0.2的乙烯，而后者在X=45d切面處，乙烯等值線就不再與下壁面相交，由此可得，乙烯噴注高度明顯高于前者，且肋片的加入有效的減弱了燃料的側(cè)向擴(kuò)散。在X=35d切面處，后者已經(jīng)不存在當(dāng)量比大于5.5的乙烯組分，但前者還存在較大面積的高濃度乙烯組分，這說明肋片結(jié)構(gòu)加速了乙烯的擴(kuò)散。綜上，肋片能顯著抬升燃燒室內(nèi)乙烯組分高度，提高射流的穿透深度，能增大乙烯的擴(kuò)散速度，促進(jìn)乙烯與來流的摻混，加強(qiáng)摻混效果。這不僅能加快燃料與來流的混合，提高混合程度，從而有效的減小燃燒室的長度，同時，也能使可燃混合區(qū)遠(yuǎn)離燃燒室下壁面，降低了燃燒室壁面承受的熱量，降低了對材料承熱能力方面的要求。

為進(jìn)一步定量分析有無肋片燃燒室流場特性的差異，圖6為羽流質(zhì)量中心高度和總壓損失系數(shù)曲線圖。由圖6(a)可以看出，無肋片結(jié)構(gòu)羽流質(zhì)量中心高度增長自始至終都較為平緩，而肋片構(gòu)型的加入使得射流的羽流質(zhì)量中心高度從X=25d處就開始迅速提升，至X=50d左右增長速度才變得較為平緩，其最后的結(jié)果也是前者羽流高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無肋片結(jié)構(gòu)，這與之前定性分析得出的結(jié)論一致。從總壓損失系數(shù)曲線來看，在燃燒室前端，兩條曲線基本重合，在X=70d后，加入肋片結(jié)構(gòu)總壓損失系數(shù)曲線開始變得高于無肋片算例，但是差異不大?？傮w看來，肋片結(jié)構(gòu)不但能較大的提升射流的穿透深度，增強(qiáng)燃料與來流的摻混，同時，也不會帶來較大的總壓損失或者導(dǎo)致流場畸變。

圖5 乙烯組分云圖與等值線

圖6 不同算例流場特性參數(shù)數(shù)值

2.2 肋片/凹腔組合距離對燃燒室性能的影響

圖7為冷流條件下case2至case6超燃燃燒室對稱截面上溫度分布云圖。從圖7中可以看出，各算例凹腔內(nèi)溫度明顯高于其他區(qū)域，這就說明不同組合距離算例都能通過回流產(chǎn)生高溫區(qū)，其中，高溫區(qū)不僅可以有效促進(jìn)燃料的摻混和實現(xiàn)燃燒室的點火，更可以在燃燒時達(dá)到穩(wěn)定火焰的效果，隨著組合距離的減小，凹腔內(nèi)溫度逐漸增高，高溫區(qū)面積也逐漸增大，說明組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)焰能力得到增強(qiáng)。組合距離較大時，距離的減小能較大的提高凹腔內(nèi)溫度和高溫區(qū)范圍，然而這種影響能力隨著距離的減小而減小，對比case2和case3可發(fā)現(xiàn)，前者高溫區(qū)域面積略大于后者，而兩者內(nèi)溫度值幾乎已經(jīng)相等，因此有理由相信這存在一個極限距離，當(dāng)達(dá)到這一距離時，燃燒室內(nèi)溫度和高溫區(qū)不再隨距離的減小而有明顯變化，而且這一值就在6d左右。

圖7 溫度分布云圖

圖8為燃燒室對稱截面上壓力分布云圖，結(jié)合圖4可以得到，各算例激波產(chǎn)生于肋片上后緣，經(jīng)壁面折射產(chǎn)生激波串，組合距離的增大對激波位置幾乎不產(chǎn)生影響，卻增加了激波強(qiáng)度，對比小距離組合算例，在case6算例中，凹腔后緣明顯產(chǎn)生了大強(qiáng)度激波，這勢必會造成更大的總壓損失。肋片后的低壓區(qū)對燃料的穿透深度和擴(kuò)散速度有重要促進(jìn)作用，由圖8可知，組合距離對肋片后低壓區(qū)面積大小有著明顯影響，距離越大，低壓區(qū)范圍越廣，但隨著距離增加到一定值后，低壓區(qū)面積就幾乎不再明顯變化。

為進(jìn)一步定性分析肋片凹腔組合距離對燃燒室性能的影響，圖9顯示了各算例當(dāng)量比0.4≤Φ≤5.5的切面上乙烯組分云圖與Φ=0.2等值線。結(jié)合圖5可得，不同的組合距離都能明顯減少下壁面的燃料組分，提高噴流的穿透深度；隨著組合距離的減小，噴注燃料的擴(kuò)散速度也得到提高，case2和case3算例中，在X=35d切片中就不存在當(dāng)量比Φ>5.5的乙烯組分，而case5算例中，在X=40d切面中仍存在高濃度乙烯組分。對比case5和case6，又可發(fā)現(xiàn)兩者在燃燒室前端燃料擴(kuò)散速度幾乎一致，然而在X=40d切面附近，后者燃料的擴(kuò)散速度明顯高于前者，這可能是因為后者燃料噴注高度小于前者，因而更大的受到凹腔的卷吸作用促進(jìn)擴(kuò)散的影響。

圖8 壓力分布云圖

圖9 乙烯組分云圖與等值線

各算例乙烯擴(kuò)散過程中，流場混合區(qū)的形狀在燃燒室前端呈葫蘆形，隨著流場流動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形，這樣更能充分利用流道空間提高燃料在燃燒室中分布的均勻性，更利于點火與燃燒。因為凹腔具有在穩(wěn)定火焰等方面獨(dú)一無二的優(yōu)勢，目前一般在凹腔對燃燒室進(jìn)行點火，因此，為了能更順利點火，凹腔附近的乙烯濃度不能過高，也不能過低，由圖9可知，距離太近會使得乙烯擴(kuò)散速度過快，而距離太遠(yuǎn)又會導(dǎo)致乙烯無法充分與來流進(jìn)行摻混，需要找一個合適的組合距離。對比算例可得，距離為6d時，能更好的使燃燒室達(dá)到點火條件，創(chuàng)造更好的點火條件。

圖10給出了各算例對稱面凹腔位置的展向局部流線圖，觀察對比可知，各算例凹腔內(nèi)都形成了展向渦，其中，case1可能是因為凹腔與噴孔過近的原因，凹腔內(nèi)展向渦靠向凹腔后部，且在凹腔前部存在一個小渦；隨著距離增大，凹腔內(nèi)小渦逐漸減小，展向渦逐漸增大；在case4中已經(jīng)不存在小渦，此后，隨著組合距離的增大，展向渦逐漸減小。凹腔內(nèi)漩渦對來流有卷吸作用，有利于火焰穩(wěn)定，而且展向渦越大，凹腔卷吸能力也就越大，從而能更好地加強(qiáng)摻混效果，穩(wěn)焰能力也能更優(yōu)，對比各算例可得，case3中凹腔展向渦最大，因此其增強(qiáng)摻混能力最大，穩(wěn)焰能力也最強(qiáng)。

圖10 對稱面凹腔位置流線圖

為定量分析不同組合距離下射流摻混與穿透效果，圖11分別為羽流質(zhì)量中心高度、流場可燃混合區(qū)面積、最大乙烯濃度衰減曲線和總壓損失系數(shù)曲線圖。由圖11(a)可得，隨著來流流動，各算例羽流質(zhì)量中心高度逐漸提高，有肋片結(jié)構(gòu)算例羽流高度明顯高于無肋片結(jié)構(gòu)算例；隨著組合距離的減小，射流噴注高度稍有增大，且增幅逐漸減小，case2與case3曲線在燃燒室后段已經(jīng)幾乎重合；由圖11(b)可知，各算例可燃混合區(qū)面積逐漸增大，有肋片結(jié)構(gòu)算例在燃燒室前端面積增長速度較快，后期增長則相對平緩，無肋片算例的混合區(qū)面積總體來說增長速度變化不大，前期增長速度低于有肋片算例，說明此時肋片能促進(jìn)燃料的摻混擴(kuò)散，至凹腔附近，無肋片算例面積增長速度突然增大，開始高于其他算例，后期則一直保持高于其他算例，這可能是因為沒有肋片提高射流穿透深度導(dǎo)致羽流質(zhì)量中心高度低，在下壁面附近存在較多高濃度乙烯組分，這從圖5乙烯組分圖也可以看出，因此，無肋片結(jié)構(gòu)算例中的燃料能更好的受到凹腔處渦流的卷吸作用增加擴(kuò)散速度，這也解釋了組合距離越近，前期面積增長速度相對更快的原因，因為肋片后噴注，燃料呈倒葫蘆形，距離越近，乙烯組分高度還沒達(dá)到較高，能更好的受到凹腔作用。

圖11 不同算例流場特性參數(shù)數(shù)值

從乙烯最大濃度衰減曲線圖可以看出，各算例中乙烯濃度都隨著流動而減小，前期衰減速度快，后期相對平緩，肋片結(jié)構(gòu)的加入增大了乙烯擴(kuò)散的速度，同時組合距離也對擴(kuò)散速度有所影響，除了case5和case6在燃燒室后端稍有不同，其余算例均為組合距離越小，濃度衰減越快，但隨著距離的減小，相應(yīng)影響不再明顯，這也與前文的相關(guān)解釋相對應(yīng)。觀察圖11(d)可知，隨著組合距離的增大，總壓損失先是減小后是增大，前期的減小可能是因為肋片上后緣會產(chǎn)生激波，激波導(dǎo)致總壓損失的產(chǎn)生，組合距離的變化不會給肋片后激波產(chǎn)生明顯影響，卻能增大肋片后低壓區(qū)范圍，從而使得總壓損失減??；隨著距離的增加，凹腔后壁面開始出現(xiàn)激波，且激波強(qiáng)度越來越大，導(dǎo)致產(chǎn)生了較大總壓損失，從而出現(xiàn)case6總壓損失明顯大于其余算例的情況，而對比case1、case3、case4、case5可以發(fā)現(xiàn)，這些算例的總壓損失曲線形狀相似，且相差不大。

3 結(jié)論

文中運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，將肋片凹腔組合應(yīng)用在超燃燃燒室中，探討了有無肋片結(jié)構(gòu)對燃燒室流場特性的影響，針對肋片凹腔組合距離對超燃燃燒室流場的影響展開深入研究，并對結(jié)果進(jìn)行了定性定量分析，得出以下結(jié)論：

1)肋片結(jié)構(gòu)不僅能較大的提升射流的穿透深度，增強(qiáng)燃料與來流的摻混，同時也不會帶來較大的總壓損失或者導(dǎo)致流場畸變。

2)隨著肋片凹腔組合距離的減小，燃料可燃混合區(qū)面積、羽流質(zhì)量中心高度以及乙烯擴(kuò)散速度越大，且這一影響隨距離的減小而逐漸減??；燃燒室的總壓損失隨著距離的減小呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

3)組合距離LC=6d時，燃料穿透深度較大，混合程度更好，且沒有明顯增大總壓損失，綜合性能更好。