支板凹腔組合構型對燃燒室流場的影響

支板凹腔組合構型對燃燒室流場的影響

1支板/凹腔組合穩(wěn)定器發(fā)展現(xiàn)狀支板和凹腔是超燃壓汽油灶中使用最廣泛的兩種火災穩(wěn)定方法。根據(jù)研究，支板可以直接將燃料放入電池中，以實現(xiàn)燃料在燃燒中的均勻分布。同時，它流入支板后，形成一個低速回流區(qū)，可以發(fā)揮火焰的穩(wěn)定作用。凹腔火焰的穩(wěn)定性可以很好地實現(xiàn)。當氣流通過凹腔時，凹腔中形成一個低速回波區(qū)。該區(qū)域火焰穩(wěn)定性強，內火焰可用作燃燒中的固定水源。近年來,隨著對單支板以及凹腔認識的更加深入,很多研究機構開始對多支板組合以及支板/凹腔組合構型進行研究[1~8]。美國HsuKY等對超聲速流場中支板和凹腔三種組合構型的火焰?zhèn)鞑ヒ约包c火性能進行了對比研究,并且研究了不同燃料噴射方式對燃燒性能的影響。國防科學技術大學趙延輝從支板流動的基礎研究出發(fā),將凹腔-水平支板燃燒室、凹腔-豎直支板燃燒室與單凹腔燃燒室流動特性進行了對比,并結合高背壓條件下燃燒室流動特性,分析了凹腔支板組合火焰穩(wěn)定器在燃燒室流動特性中的表現(xiàn)。中國航天科工集團三十一研究所采用直連試驗手段,比較了不同燃料噴注方式和不同支板凹槽組合方式對燃燒室點火、穩(wěn)定燃燒的影響,其結果表明支板噴射與支板凹槽組合穩(wěn)焰的燃燒組織方式,可以實現(xiàn)在低飛行馬赫數(shù)范圍(Ma0=4~5)液體碳氫燃料的可靠點火與穩(wěn)定燃燒,并獲得較好的燃燒性能。中國科學院力學研究所陳立紅、張新宇等也對凹腔支板一體化火焰穩(wěn)定器進行了大量研究,得出了許多具有工程指導意義的結論。研究結果表明,支板/凹腔組合火焰穩(wěn)定方式集合了支板可將燃料帶入主流中心和凹腔穩(wěn)焰性能好的優(yōu)點,可以最大程度的提高穩(wěn)焰能力,因此該組合構型成為了目前研究發(fā)展的一個重要方向。本文通過數(shù)值模擬,對雙支板結合凹腔的組合構型進行了研究,重點分析了不同組合構型對煤油燃燒性能以及凹腔質量交換特性的影響。2物理模型和計算方法2.1支板與燃料噴注方式本文研究基于北京航空航天大學直連式超燃沖壓發(fā)動機試驗臺模型,圖1為燃燒室構型及支板/凹腔四種組合方式示意圖。燃燒室全長1800mm,入口截面尺寸100mm×60mm,內型面為單側擴張結構,各段擴張角度不同,寬度不變(均為100mm)。燃燒室中兩塊支板十字交叉布置并分別布置煤油噴孔進行燃料噴注,上游支板具有三排燃料噴孔,下游支板具有兩排燃料噴孔,噴孔直徑為0.4mm,本文研究中上下游支板均采用第一排噴孔進行燃料噴注。下游支板同凹腔共有四種組合方式,其中一種支板相比另一種支板增加了三角形后緣結構,各組合方式中上凹腔始終保持不變,下凹腔可更換為平面結構。2.2網(wǎng)格劃分和求解本文計算采用商業(yè)軟件Fluent進行模擬,網(wǎng)格劃分采用Gambit軟件進行處理。由于燃燒室為對稱結構,因此為了節(jié)約計算資源沿對稱面取燃燒室一半?yún)^(qū)域為計算域。網(wǎng)格劃分采用了分塊結構化網(wǎng)格方法,把計算域分為若干區(qū)域,對不同區(qū)域網(wǎng)格采用不同疏密處理,對流動梯度大的地方,如出現(xiàn)激波的區(qū)域采用更密的網(wǎng)格以提高計算的精度,對壁面附近網(wǎng)格采取等比加密處理,附面層共18層,第一層尺寸為0.005mm,增長率為1.3,網(wǎng)格總數(shù)為300萬。圖2為計算域及局部網(wǎng)格示圖。計算中采用有限體積法求解雷諾平均N-S方程,連續(xù)、動量、能量方程采用二階迎風格式離散;湍流模型為SSTk-ω湍流模型;應用離散項模型模擬煤油液滴的霧化、蒸發(fā)過程;同時采用基于組分輸運的有限速率/渦耗散模型模擬煤油的燃燒,反應機理為單步總包化學反應;計算選擇分離求解器求解。邊界條件設置為:燃燒室入口為質量入口,各工況參數(shù)如表1所示,其中Maf為模擬飛行馬赫數(shù),Mac為燃燒室入口馬赫數(shù),Ms為燃燒室入口質量流率,ps為燃燒室入口靜壓,Tt為燃燒室入口總溫,ue788為煤油當量比;出口為外推壓力出口;煤油噴嘴入口定義為直徑為0.4mm的煤油液面;壁面采用無滑移壁面條件,并滿足絕熱和零壓力梯度條件。圖3為Case1工況下a構型燃燒室側壁面和下壁面的y+分布,從圖中可以看出壁面y+均小于4,滿足選用SSTk-ω湍流模型時對壁面y+的要求,說明網(wǎng)格劃分和計算是有效的。3計算與分析3.1支板內部流場變化本節(jié)對表1中的三種工況進行了計算,得到了燃燒流場分布。圖4為Case1工況下a構型對稱面上馬赫數(shù)及溫度分布,由圖可見,上游支板處于超聲速區(qū)域內,并且存在不斷反射的波系結構,上下游支板后部及凹腔內部為低速回流區(qū),燃燒火焰也主要集中在該區(qū)域內。對三種工況計算結果分析后發(fā)現(xiàn)均存在上述規(guī)律,并且在相同來流工況下,各構型上游支板附近流場結構十分相似。圖5為上游支板附近壓力云圖,當超聲速來流流經(jīng)上游支板前緣時,受到支板的壓縮作用在支板兩側各形成一道斜激波,當氣流流經(jīng)支板劈尖末端時相當于氣流繞凸角流動,因此形成一道膨脹波,之后斜激波和膨脹波發(fā)生相互作用的同時在支板和燃燒室壁面之間發(fā)生多次反射,最后進入支板后部亞聲速區(qū)。圖8(a),(b),(c)分別為Case1工況下a構型上下游支板及b構型下游支板處煤油液滴的分布。由圖可見,煤油從上游支板第一排噴孔噴出以后迅速破碎,形成大量煤油液滴,并且運動方向由噴出時垂直于流向方向迅速轉變?yōu)轫樍鞣较?煤油穿透深度較低,隨著沿流向的運動液滴逐漸破碎蒸發(fā)實現(xiàn)二次霧化,當液滴達到上游支板后部低速回流區(qū)時基本完成霧化、蒸發(fā)過程;對于下游支板,煤油從噴孔噴出后運動方向仍然很快由垂直于流向方向轉變?yōu)轫樍鞣较?并且液滴破碎實現(xiàn)二次霧化,但是兩種支板構型煤油液滴霧化蒸發(fā)距離均較短,并且穿透深度相對較深,煤油霧化蒸發(fā)過程受構型影響較小。其余工況計算結果與上述結論相似,結合圖4中流場馬赫數(shù)及溫度分布可知,上游支板處于高速低溫環(huán)境,因此其霧化蒸發(fā)距離較長,煤油穿透深度較低;而下游支板處于低速高溫環(huán)境,燃燒區(qū)域的高溫燃氣促進了煤油的霧化蒸發(fā)過程,因此其霧化距離較短,并且煤油穿透深度更深。為了定量分析流場計算結果,統(tǒng)計了燃燒室總壓恢復系數(shù)和煤油燃燒效率兩項參數(shù),定義如下:總壓恢復系數(shù)燃燒效率式中分別為燃燒室中剩余的煤油質量流量和煤油的總流量。表2為三種工況下四種組合構型燃燒室燃燒效率與總壓恢復系數(shù)計算結果,結果表明:(1)三種來流工況下四種組合構型燃燒效率均存在a<b<ad<bd的規(guī)律,采用帶后緣支板構型時比采用普通支板構型煤油燃燒效率提高2.8%~5.8%,采用雙凹腔構型時比采用單凹腔構型時煤油燃燒效率提高4.5%~8.8%;(2)相同來流工況下,各構型總壓恢復系數(shù)相近,當增大來流馬赫數(shù)時總壓恢復系數(shù)隨之下降。圖9展示了Case1工況下支板/凹腔的四種組合構型燃燒室下游流場馬赫數(shù)及溫度分布,由圖可見,氣流流經(jīng)下游支板后,在支板后部及凹腔內部形成了較大的亞聲速回流區(qū),燃燒區(qū)域也主要分布在該區(qū)域內。對于雙凹腔構型,比單凹腔構型增加了一個火焰穩(wěn)定器,擴大了燃燒室低速回流區(qū)及燃燒區(qū)域面積,因此其燃燒效率更高;帶后緣支板的使用在沿流向方向擴大了主流中心的低速回流區(qū)面積,增加了火焰在主流中心的分布,因此其火焰穩(wěn)定性能也更明顯。3.2凹腔質量衰減曲線為了進一步分析支板/凹腔組合構型的性能,本節(jié)對Case1工況下四種組合構型上凹腔的質量交換特性進行了研究。質量交換率6)m指單位時間內主流流體被卷吸進入凹腔內的質量,駐留時間τ是指上述被卷吸進入凹腔內的主流流體在凹腔內的停留時間,兩者成顯函數(shù)關系:,m為凹腔內流體的總質量,上式也可寫成另一形式:。凹腔的質量交換率、駐留時間作為確定凹腔性能的重要參數(shù)近年來受到持續(xù)關注[10~16]。由于缺乏對凹腔質量交換率和駐留時間的測量手段,目前對它們的研究都是通過建模分析和數(shù)值模擬方法實現(xiàn)的。Davis等推導出了針對垂直后壁凹腔的駐留時間估算公式,但對凹腔剪切層發(fā)展的建模過于粗略;Baurle等計算了主流馬赫數(shù)為2.92的幾種凹腔的駐留時間。本節(jié)計算參考了Baurle及汪洪波、孫明波等的計算方法,計算中為了獲得凹腔的質量交換率,首先通過穩(wěn)態(tài)計算得到凹腔的定常流動圖像,然后將凹腔中的氣體標記成另一種組分,之后改用非穩(wěn)態(tài)計算,并觀察該時刻以后該組分的非定常流動過程,直到其全部流出凹腔為止。在該過程中可監(jiān)視該組分的質量變化,得到該組分隨時間的質量衰減曲線,最后對質量衰減曲線采用指數(shù)函數(shù)m(t)≈exp(-t/τ)擬合可得到駐留時間τ。為了保證凹腔內標記的物質和主流氣體性質相當,將主流氣體設置為由氮氣、氧氣、二氧化碳、水按照在實際空氣中的比例組成的混合氣,凹腔內的氣體標記成空氣。圖10為四種組合構型上凹腔內空氣的質量衰減變化圖,同一構型包含的4幅圖從左至右、從上至下對應的時刻分別為t0,t0+0.5ms,t0+1.0ms,t0+1.5ms,t0是令凹腔內組分為空氣的時刻?？梢钥闯鲇捎谥О搴蠡亓鲄^(qū)的作用,凹腔內空氣迅速向支板后部主流區(qū)擴散,后隨著主流的運動逐漸消失。圖11為監(jiān)視的四種構型空氣質量衰減曲線,本文采用了Baurle的計算方法,對質量衰減曲線進行了指數(shù)函數(shù)擬合并計算駐留時間。由于任何一條衰減曲線都不能找到一條近似的指數(shù)衰減曲線完全擬合,因此文中采用了Baurle凹腔駐留時間的另一種計算方法,即采用兩段指數(shù)衰減曲線進行最小方差擬合,平均駐留時間取兩段駐留時間的加權平均,權值取擬合時間區(qū)域相對于整個時間區(qū)域的分數(shù)。圖12為四條曲線的擬合結果,可以看出擬合結果與原曲線重合度很高,擬合效果較好。表3給出了計算得到的凹腔駐留時間,結合圖11中各構型質量衰減曲線對比可以看出支板是否帶后緣對凹腔質量交換速率影響較大,帶后緣的支板構型(b,bd構型)質量衰減速度明顯大于普通支板構型(a,ad構型),其凹腔駐留時間較短;對于同一支板構型組合不同凹腔結構時(a和ad構型,b和bd構型),其質量衰減速率相差不大,說明在同一燃燒室中當兩個相對布置的凹腔,其中一個凹腔對其對面凹腔的質量交換特性影響較小,兩種構型凹腔駐留時間相差不大。結合燃燒室燃燒流場計算結果以及凹腔質量交換律特性計算結果分析認為:與使用單凹腔構型相比,盡管使用雙凹腔構型時上凹腔與主流的質量交換速率變化不大,但是下凹腔的應用,比單凹腔構型增加了一個火焰穩(wěn)定器,擴大了燃燒室低速回流區(qū)及燃燒區(qū)域面積,從而提高了燃燒室燃燒效率;帶后緣支板的使用相比普通支板一方面增加了主流與凹腔的質量交換速率,從而加速了煤油進入凹腔的速度,提高了燃燒效率,另一方面支板后緣在主流中心區(qū)形成了更大的低速回流區(qū),該區(qū)域也促進了煤油的燃燒,因此提高了燃燒室的整體燃燒效率。4帶后果支板與單凹腔組合型燃油燃燒模態(tài)對比見表3本文以直連式雙支板構型超燃燃燒室為計算模型,對不同支板和凹腔的組合構型穩(wěn)焰性能進行了計算研究,重點分析了不同組合構型對燃燒室燃燒流場以及凹腔質量交換特性的影響,得到以下結論:(1)上游支板處于超聲速區(qū)域內,并且存在不斷反射的波系結構,對于同一來流工況,四種支板/凹腔組合構型的上游支板附近流場十分相似;上下游支板后部及凹腔內部為低速回流區(qū),燃燒火焰也主要集中在該區(qū)域內。(2)上游支板處于高速低溫環(huán)境,煤油液滴霧化蒸發(fā)距離較長,穿透深度較小;下游支板處于低速高溫環(huán)境,煤油霧化蒸發(fā)距離較短,穿透深度較大。(3)與使用單凹腔構型相比,盡管使用雙凹腔構型時對上凹腔與主流的質量交換速率影響較小,但是下凹腔的應用,比單凹腔構型增加了一個火焰穩(wěn)定器,擴大了燃燒室低速回流區(qū)及燃燒區(qū)域面積,從而使煤油燃燒效率提高了4.5%~8.8%。(4)帶后緣支板相比普通支板不僅能夠提高主流與凹腔的質量交換律,并且能夠擴大支板后部低速回流區(qū)及燃燒區(qū)域面積,從而使煤油燃燒效率提高2.8%~5.8%。(5)在相同來流工況下,不同支板/凹腔組合構型燃燒室的總壓恢復系數(shù)相近,隨著來流馬赫數(shù)增大總壓恢復系數(shù)隨之下降。圖6為Case1工況下對a構型燃燒室沿流向取質量平均馬赫數(shù)及化學反應