超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)支板噴注燃料流動(dòng)過程試驗(yàn)研究

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)支板噴注燃料流動(dòng)過程試驗(yàn)研究

燃料和空氣的混合是先進(jìn)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)。由于電機(jī)燃燒流速度快、動(dòng)力大、燃料相對能量低，燃料滲透低。因此，支塊的燃料噴射模式可以很方便地將燃料帶到主導(dǎo)空氣室，這對大型焦?fàn)t尤其必要。從20世紀(jì)70年代中期美國Langley研究中心首次提出支板概念至今,對于支板增強(qiáng)混合、穩(wěn)定火焰以及阻力特性的研究已取得了很大進(jìn)展,分別提出了具有較好增強(qiáng)混合能力的帶尾部交錯(cuò)幾何結(jié)構(gòu)的支板構(gòu)型和穩(wěn)定火焰能力較強(qiáng)的多級支板,另外,超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱試車結(jié)果也表明:支板改善燃燒性能所帶來的推力要大于其所產(chǎn)生的阻力.但目前這些研究主要是以帶支板的燃燒室為對象,對整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能進(jìn)行了分析,對燃燒室內(nèi)部的支板噴射燃燒機(jī)理研究較少.本文在空氣流量2.0kg/s的直連式試驗(yàn)臺(tái)上,利用高速攝影和高速紋影相結(jié)合的方法對支板燃料噴注燃燒流場進(jìn)行了觀測,揭示了內(nèi)部燃燒流場的特點(diǎn).1試驗(yàn)裝置及安裝方式該試驗(yàn)臺(tái)主要由試驗(yàn)臺(tái)架、空氣加熱器、模型發(fā)動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火器、各種管路供應(yīng)系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成.試驗(yàn)?zāi)M了飛行高度24km,飛行馬赫數(shù)5.5這一典型飛行彈道點(diǎn),空氣加熱器的出口參數(shù)為:靜壓p=76kPa,靜溫T=724K,總壓p0=1.65MPa,氧氣質(zhì)量百分含量YO2=23.3%.試驗(yàn)所用的等截面燃燒室全長1408mm,進(jìn)、出口面積均為54.5mm×75mm.整個(gè)燃燒室由隔離段、觀測段和延長段組成,其中觀測段內(nèi)的試驗(yàn)件安裝如圖1所示.支板安裝于燃燒室上游,凹腔安裝于距支板較遠(yuǎn)的下游處,常溫液體燃料煤油通過支板加入流場.為使煤油著火,凹腔前布置有誘導(dǎo)點(diǎn)火氫氣,點(diǎn)火成功后關(guān)閉氫氣.試驗(yàn)過程中可通過前/后觀察窗口對流場火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測,還可對支板附近區(qū)域進(jìn)行紋影拍攝.分別進(jìn)行了支板垂直安裝和水平安裝的燃燒試驗(yàn)研究,支板尾噴安裝方式如圖2所示.在這兩種安裝情況下還分別進(jìn)行了垂直于面abcd和垂直于面ef的燃料側(cè)向噴注.在垂直和水平安裝方式下,噴孔距下壁面的距離分別為15mm和27.25mm,為與支板燃料噴注進(jìn)行比較,在支板安裝位置進(jìn)行了壁面垂直煤油噴注.為下文標(biāo)記方便,將壁面垂直噴射、垂直尾噴、垂直側(cè)噴、水平尾噴、水平側(cè)噴等噴注方式分別記為InjM1,InjM2,InjM3,InjM4,InjM5.各噴注方式下噴孔距壁面的距離不同,而超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料的噴注穿透度非常有限,其流場分布十分依賴于它的噴注方式,因此這些試驗(yàn)方案的細(xì)微差別將會(huì)給燃燒流場帶來很大的影響.圖3是試驗(yàn)控制時(shí)序.2結(jié)果與討論2.1燃料側(cè)噴方案對燃料擴(kuò)散的影響發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力(pe)、氫氣(pH2)和煤油(pK)的噴前壓力對比如圖4所示.由圖可知,火花塞點(diǎn)火后氫氣即實(shí)現(xiàn)了燃燒,但由于當(dāng)量比較低,pe雖有提升但升高幅度不大;煤油閥門開啟后,噴入流場的煤油立刻被氫氣火焰引燃,燃燒釋放出大量的熱量,pe也隨之大幅度攀升,各噴注方式下的流場都表現(xiàn)出類似的變化過程.但由于燃料噴注方式不同,各流場又表現(xiàn)出自己的特點(diǎn)來:1)在水平側(cè)噴情況下,氫氣閥門關(guān)閉后,發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力并沒有下降,煤油實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的單獨(dú)燃燒.壁面噴油方式表現(xiàn)出類似的性質(zhì).2)在垂直支板側(cè)噴情況下,關(guān)閉氫氣閥門后,由于閥門的后效作用,在一段時(shí)間內(nèi)流場還有少量誘導(dǎo)氫氣噴入,燃燒持續(xù)了一段時(shí)間,但煤油單獨(dú)燃燒并不能維持.垂直支板尾噴流場也表現(xiàn)出了類似的性質(zhì).下文所提到的垂直安裝方式下煤油單獨(dú)燃燒并不是嚴(yán)格意義上的單獨(dú)燃燒,而是指閥門關(guān)閉后的后效氫氣與煤油共同燃燒的那段時(shí)間.3)在支板水平尾噴情況下,煤油甚至沒有被誘導(dǎo)氫氣點(diǎn)燃,氫油共燃都沒能實(shí)現(xiàn).分析認(rèn)為,誘導(dǎo)氫氣主要是在下壁面的凹腔內(nèi)進(jìn)行燃燒的,而支板尾噴情況下燃料的擴(kuò)散效果不好,特別是展向分布范圍非常小,集中于流場中心線附近,使得下游凹腔內(nèi)沒有煤油燃料擴(kuò)散進(jìn)來,誘導(dǎo)氫氣火焰不能與煤油相接觸,因此煤油沒能被引燃.由此看來,支板燃料側(cè)噴方案較尾噴具有更好的燃燒效果;當(dāng)把燃料噴入主流時(shí),必須考慮其擴(kuò)散程度與火焰穩(wěn)定器之間相互關(guān)系的問題.2.2凹腔流場分布特性燃料分布與火焰穩(wěn)定器的相對位置很大程度上影響了燃燒流場的火焰分布.由圖5和圖6可知,在氫油共燃和煤油單獨(dú)燃燒情況下,各噴注方式下的流場火焰分布都表現(xiàn)出明顯不同的特性:1)水平安裝側(cè)噴方式下,由于支板位于流場中心線上,其作用下的燃料分布在燃燒室主流,因此無論在何種燃燒狀態(tài)下,其火焰總是充滿整個(gè)流道的.2)壁面垂直噴射方式下,噴孔位于下壁面,而超聲速來流中燃料的穿透度較低,導(dǎo)致燃料的流場分布是貼近下壁面的.安裝于下壁面的凹腔內(nèi)有較多的煤油分布,再加上凹腔提供了非常有利的燃燒環(huán)境,因此無論在何種燃燒狀態(tài)下,凹腔內(nèi)部的燃燒都進(jìn)行得非常劇烈,但流道的上半部分很少有燃燒火焰存在.即使在下游反壓較高,引起火焰逆流前傳瞬間(圖7),火焰也僅覆蓋了流道的下半部分,與水平側(cè)噴燃燒流場有很大的差別.3)垂直安裝方式下,噴孔位于前兩種噴油位置之間,即靠近下壁面又跟下壁面存在一定的距離,因此其流場就表現(xiàn)出不同于上兩種的特性.總體來說,其火焰分布與壁面噴油方式的非常類似,都是以凹腔為依托的半流道式分布.但由于噴孔位置與下壁面有一定的距離,導(dǎo)致位于下壁面的凹腔內(nèi)煤油燃料分布較少,而凹腔剪切層內(nèi)燃料分布較多,因此與壁面噴油方式相比其凹腔內(nèi)部火焰亮度較弱,而凹腔剪切層處的火焰較亮.特別是在誘導(dǎo)氫氣閥門關(guān)閉后,凹腔內(nèi)部幾乎沒有明顯的火焰存在,導(dǎo)致煤油單獨(dú)燃燒不能穩(wěn)定進(jìn)行.在所進(jìn)行的對比試驗(yàn)中,每次試驗(yàn)燃料當(dāng)量比相當(dāng),并且燃料都進(jìn)行了較為完全的燃燒,因此各次試驗(yàn)的壁面壓力分布并沒有很大的差別.雖然水平側(cè)噴情況下的火焰分布充滿整個(gè)流道,燃燒進(jìn)行得較為劇烈,但由圖4可知,其發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力較低.分析認(rèn)為,水平側(cè)噴時(shí)的燃燒是在燃燒室主流中進(jìn)行的,發(fā)生區(qū)域較大.主流流速快,燃料從燃燒到離開在燃燒室中停留的時(shí)間短,總的釋熱量小;而其它的噴注方式燃料分布都靠近下壁面,下壁面凹腔內(nèi)的回流區(qū)可起到延遲火焰的作用,使得燃料火團(tuán)能夠在燃燒室中停留更長時(shí)間,總的放熱量較大,所以出口壓力較高.可見要取得更好的燃燒室性能,必須考慮燃料噴注方式與火焰穩(wěn)定器之間相互配合的問題.2.3燃料燃燒時(shí)流場狀況的變化燃燒放熱引起燃燒室壓力的升高會(huì)極大地改變整個(gè)流場的狀況.而在非預(yù)混燃燒流場中,燃料的噴注、擴(kuò)散和混合過程都是在燃燒室內(nèi)進(jìn)行的,因此燃燒過程將會(huì)影響到燃料的流場分布.圖8所示為壁面垂直噴注方式下的瞬時(shí)流場紋影示意圖,冷流時(shí)的流場狀況如圖8(a)所示,此時(shí)的流場結(jié)構(gòu)非常簡單,僅存在煤油垂直噴射所引起的弓形激波.燃料的穿透度也十分有限,貼著下壁面向下游發(fā)展.燃燒時(shí)的流場狀況分別如圖8(b),(c)和(d)所示,燃料燃燒使得流場結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的改變.隨著燃料的燃燒,燃燒室下游壓力逐漸升高,壁面處的逆壓梯度使得上壁面邊界層發(fā)生分離,分離區(qū)壓縮來流在流場中形成了明顯的強(qiáng)激波;下壁面燃料垂直噴射引起的分離區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,分離區(qū)前的壓縮激波逆流前傳并得到了增強(qiáng).經(jīng)過該激波后的來流,壓力升高流速降低,并且流動(dòng)方向也向著主流側(cè)偏轉(zhuǎn),所有這些因素都使得此時(shí)的燃料穿透度大幅度提高,流場燃料分布較冷流時(shí)發(fā)生了很大改變.圖9所示為垂直側(cè)噴安裝方式下的流場紋影情況,其中圖9(a)和(b)分別為無燃料噴射和燃料側(cè)噴時(shí)的冷流流場狀況.無燃料噴射時(shí)流場結(jié)構(gòu)較為簡單,僅包含支板壓縮來流激波和支板導(dǎo)致的壁面邊界層分離所引起的激波,燃料側(cè)噴沒有改變冷流時(shí)的流場結(jié)構(gòu),流場特征基本保持不變.圖9(c)和(d)所示為燃燒狀態(tài)時(shí)的流場情況,由前面的分析知,此時(shí)流場下游火焰較接近主流,燃燒放熱使來流受到壓縮,流場中出現(xiàn)了激波串,支板前的壓縮激波也明顯脫體.燃燒室溫度的提高使得煤油的蒸發(fā)距離縮短,展向分布范圍也有所好轉(zhuǎn).燃燒流場具有一定的不穩(wěn)定性,各時(shí)