李 朗 鄭忠華

(1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽 621010；2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心吸氣式高超聲速技術(shù)研究中心 四川綿陽 621000)

超燃沖壓發(fā)動機中燃料的注油方式[1]會直接影響發(fā)動機的燃燒性能。因不同的注油分布方式會使燃料在空間的分布、混合的距離以及燃燒室各局部的當量比顯著不同，最終會影響到燃燒性能。文獻[2]采用數(shù)值模擬方法考察了馬赫6超燃沖壓發(fā)動機不同注油方式下的火焰結(jié)構(gòu)、燃燒效率，進而判斷隔離段不啟動的依據(jù)。文獻[3]進行了帶有凹槽的超燃沖壓發(fā)動機燃料注入方式對煤油點火特性影響的實驗研究，結(jié)果表明壁面注油可以有效實現(xiàn)點火，但中心注油則會導(dǎo)致點火困難。國內(nèi)通過改變注油方式和引入增混裝置而使燃料分布合理并充分混合進行了大量研究。文獻[3]考察了不同注油方式對燃燒流場的影響，文獻[4]基于脈沖燃燒風(fēng)洞直連式試驗平臺研究了注油方式對超燃沖壓發(fā)動機燃燒性能的影響。單點注油位置及當量比會直接影響到激波串的起始位置和整個流場結(jié)構(gòu)，進而會對燃料的混合帶來影響，所以需要考察注油位置和當量比對流場結(jié)構(gòu)及燃料混合的影響。

本文為了進一步研究不同當量比對超燃沖壓發(fā)動機性能的影響，通過AHL3D大規(guī)模并行軟件平臺[5-6]，針對超燃燃燒室在不同注油分布下對燃燒性能的影響進行了數(shù)值模擬，揭示了注油分布對燃燒室內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的影響，并對燃燒室內(nèi)模態(tài)進行了初步分析，進而優(yōu)化注油方式，獲得燃燒室燃燒性能最佳的注油方式，為超燃沖壓發(fā)動機穩(wěn)焰技術(shù)提供新思路。

1 物理模型和計算方法

1.1 控制方程

采用求解直角坐標系下的三維N-S方程，形式如下：

(1)

式中：Q=(ρ,ρu,ρv,ρw,ρEt,ρYi)T；E,F,G表示無黏通量；Fy,Gy,Ev表示黏性通量；S為源項；u,v,w為x,y,z方向速度；ρ,Yi表示氣體的密度和組分的質(zhì)量分數(shù)。氣體的總內(nèi)能：

式中e表示熱力學(xué)內(nèi)能。湍流模型采用Kok[7]提出的TNTk-ω模型。

1.2 數(shù)值求解方法

控制方程采用格心有限體積法離散，無黏對流項離散采用Van Leer提出的MUSCL方法，黏性通量的計算方法采用Gauss定理構(gòu)造方法。為了提高計算效率和穩(wěn)定性,時間推進采用隱式LU-SGS方法。對燃料做氣態(tài)假設(shè)。湍流模型采用k-ω模型。為使解具有較高階的精度，化學(xué)動力學(xué)模型采用10組分和12步反應(yīng)的兩階段化學(xué)動力學(xué)模型[8-14]。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 計算模型與條件

發(fā)動機燃燒室模型如圖1所示。隔離段的入口高為50 mm，寬為100 mm，總長為415 mm。燃燒室的長度范圍為1 700 mm，燃燒室包括凹槽和擴張段兩部分[10]。發(fā)動機共有兩個注油位，均位于上壁面，分別距離發(fā)動機入口 390 mm和485 mm，壁面噴孔直徑為2 mm，單排10孔均布于發(fā)動機展向。室溫氣態(tài)C2H4燃料垂直于發(fā)動機壁面噴入。本文以數(shù)值模擬研究為主，實驗研究為輔。實驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心3 kg/s直連式脈沖燃燒風(fēng)洞(圖2)進行[7-10]，先鋒氫氣噴入位置距離發(fā)動機入口370 mm，先鋒氫氣用于點燃燃料。采用壓力傳感器(量程：0～700 kPa)測量發(fā)動機的壁面壓力, 壓力傳感器的采樣頻率為1 kHz。用于捕捉流場結(jié)構(gòu)的高速相機的采樣頻率為每秒5 000幅。

圖1 實驗?zāi)Ｐ蛨DFig.1 Schematic of the scramjet combustor

實驗采用氫氧燃燒加熱，為獲得高焓污染空氣來流，氧氣補充至實際空氣中，N2，O2，H2O的摩爾比例為67∶21∶12。計算模擬飛行Mach數(shù)4.0，實驗氣體總溫937 K，總壓0.8 MPa，實驗氣體經(jīng)噴管加速至Mach數(shù)2.0, 實驗時間約為400 ms。注油位置有凹槽內(nèi)單點B注油和凹槽前單點A注油，實驗當量比為Φ=0.315和Φ=0.200。壁面、噴油處進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)約為540萬。壁面設(shè)為絕熱壁面。入口設(shè)為來流條件。

2.2 計算結(jié)果與分析

圖2為熱流條件下凹槽前單點A注油Φ=0.200 和凹槽內(nèi)單點B注油數(shù)值模擬結(jié)果和實驗的壓力對比圖。通過圖2可以看出，數(shù)值模擬和實驗結(jié)果基本吻合，數(shù)值模擬具有可行性。

圖2 熱流壁面壓力曲線圖Fig.2 Wall pressure curve under hot flow condition

通過圖3中A點注油壓力曲線可以看出，隨著當量比的增加，壁面壓力得到明顯提升，Φ=0.315壁面壓力幾乎擾到發(fā)動機入口處，可以預(yù)見隨著當量比的進一步提高，壓力曲線凸起位置前移，反壓越來越大，最終將擾出發(fā)動機入口，影響進氣道的起動。通過圖4中A點注油質(zhì)量加權(quán)Mach數(shù)曲線圖可以看出，隨著當量比的提高，主流道內(nèi)高Mach數(shù)區(qū)域逐漸減小，燃燒模態(tài)由超燃向亞燃過渡。

圖3 A點注油壁面壓力曲線圖Fig.3 Pressure curve of oiling position wall at point A

圖4 A點注油質(zhì)量加權(quán)Mach曲線圖Fig.4 Mass-weighted Mach curve at oiling position A

通過圖5-圖6中A點注油的Mach數(shù)和CO2云圖也可以明顯看出Φ=0.315燃燒更為劇烈，激波串長度更長，反壓前傳較遠。

圖5 A點注油不同當量比燃燒室流場Mach數(shù)分布圖Fig.5 Mach number distribution diagram of combustor flow field with different equivalent ratio at oiling position A

圖6 A點注油不同當量比燃燒室流場CO2數(shù)分布圖Fig.6 CO2 number distribution diagram of combustor flow field with different equivalent ratio at oiling position A

通過圖7不同注油位置Φ=0.315壁面壓力曲線可以看出，壁面注油位置靠前時，壁面壓力擾動的位置也靠前，同時從圖中可以看出A點注油的壁面壓力略高于B點注油的壁面壓力，可能是由于燃料混合距離較長的原因。通過圖8不同注油位置Φ=0.315 質(zhì)量加權(quán)Mach數(shù)曲線可以看出，兩者燃燒都呈現(xiàn)亞燃狀態(tài)，Mach數(shù)變化趨勢基本相同。圖9為不同注油位置CO2曲線圖，圖10為不同注油位置燃燒效率曲線圖。通過圖10不同注油位置Φ=0.315 燃燒效率可以看出，B的燃燒效率略高于A的燃燒效率，看起來似乎與壁面壓力曲線得到的結(jié)論相反，即燃燒效率高時壁面壓力反而降低，這主要是由于本文定義的燃燒效率是實際轉(zhuǎn)化為CO2的煤油的質(zhì)量流量與完全轉(zhuǎn)化為CO2的煤油的質(zhì)量流量的比值。也就是說A位置注油的CO2質(zhì)量流量小于B位置注油生成的CO2的質(zhì)量流量，但通過壁面壓力曲線A位置注油情況下的壁面壓力反而高于B位置注油的壁面壓力，由此可以推斷A點注油生成的CO較多，消耗的總煤油較多，因此才會出現(xiàn)燃燒效率低反而壁面壓力高的情況。從圖11-圖12不同注油位置Φ=0.315 Mach數(shù)和CO2云圖可以看出，壓力前擾位置與壁面壓力分析結(jié)果一致。

圖7 不同注油位置壁面壓力曲線圖Fig.7 Wall pressure curve at different oiling positions of combustor

圖8 不同注油位置質(zhì)量加權(quán)Mach曲線圖Fig.8 Mass-weighted Mach curve at different oiling positions

圖9 不同注油位置CO2曲線圖Fig.9 CO2 curve at different oiling positions

圖10 不同注油位置燃燒效率曲線圖Fig.10 Combustion efficiency curve at different oiling positions

圖11 不同注油位Φ=0.315燃燒室流場分布云圖Fig.11 CO2 number distribution diagram of combustor flow field at different oiling positions of Φ=0.315

圖12 不同注油位Φ=0.315燃燒室流場分布云圖Fig.12 Mach number distribution diagram of combustor flow field at different oiling positions of Φ=0.315

3 結(jié)論

采用計算程序?qū)Σ煌⒂头植嫉某紱_壓發(fā)動機的燃燒流場進行了計算分析，主要結(jié)果如下：當在A點注油情況下，隨著當量比的提高燃料燃燒越來越劇烈，主流道內(nèi)高 Mach 數(shù)區(qū)域逐漸減小，由超燃過渡到亞燃;隨著當量比的提高，發(fā)動機壁面壓力提升明顯,如果當量比進一步提高，反壓可能擾出隔離段，影響進氣道的起動;當A,B位置注油當量比 0.315 時，燃燒性能差別不大，燃燒模態(tài)一致，壁面壓力差別較小。