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，進一步提高發(fā)動機性能，國外學(xué)者對支板結(jié)構(gòu)進行了改造,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效益影響較大；肋片能通過減弱射流前的弓形激波強度來降低總壓損失；能增強液體燃料破碎與蒸發(fā)的能力[10-12]。為進一步提高遠場摻混效率和穩(wěn)定火焰能力，研究人員將肋片與凹腔進行組合，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，文中運用數(shù)值模擬的方法，深入分析了其組合結(jié)構(gòu)機理，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摻混能力和減小總壓損失等的影響進行了定性定量研究，為超燃沖壓發(fā)動機的設(shè)計改進提供重要參考。

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[14]和文獻[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)量分數(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行適度的網(wǎng)格加密以提高計算準確度。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，能增大乙烯的擴散速度，促進乙烯與來流的摻混，加強摻混效果。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遠高于無肋片結(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。總體看來，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)不僅可以有效促進燃料的摻混和實現(xiàn)燃燒室的點火，更可以在燃燒時達到穩(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。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散速度有重要促進作用，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散速度幾乎一致，然而在X=40d切面附近，后者燃料的擴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擴散的影響。

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)定火焰等方面獨一無二的優(yōu)勢，目前一般在凹腔對燃燒室進行點火，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散速度過快，而距離太遠又會導(dǎo)致乙烯無法充分與來流進行摻混，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，因此其增強摻混能力最大，穩(wěn)焰能力也最強。

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燃料的摻混擴散，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散的速度，同時組合距離也對擴散速度有所影響，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?。浑S著距離的增加，凹腔后壁面開始出現(xiàn)激波，且激波強度越來越大，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散速度越大，且這一影響隨距離的減小而逐漸減小；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。